Как сделать вещь невидимой

Наталия Киеня

Невидимость веками была третьей мечтой человечества после полетов и способности видеть то, что далеко. Сегодня для первого есть самолеты, а для второго — телевидение и интернет. Какие технологии позволят нам научиться исчезать по собственному желанию в будущем? Кожа кальмара, отсутствующий небоскреб и —Т&P изучили разработки современных ученых, чтобы ответить на этот вопрос.

Прежде всего, плохая новость: сделать живое тело невидимым с помощью эликсира пока не представляется возможным. Английский писатель и публицист Герберт Уэллс в своем романе «Человеке-невидимка», написанном в 1897 году, объяснял: «Тела либо поглощают свет, либо отражают, либо преломляют его, или все вместе. Если тело не отражает, не преломляет и не поглощает света, то оно не может быть видимо само по себе. Если вы положите кусок обыкновенного стекла в воду или, еще лучше, в жидкость, более плотную, чем вода, то вы стекла почти совсем не увидите, потому что свет, переходя из воды в стекло, преломляется и отражается очень слабо, и вообще не подвергается почти никакому воздействию». Иными словами, чтобы сделать тело невидимым, нужно уменьшить коэффициент преломления его тканей (кожи, мышц, внутренних органов и костей) до коэффициента преломления воздуха. Ни физика, ни физиология сегодня не позволяют нам этого сделать: невидимые глаза не смогут улавливать свет, а для изменения оптических свойств тканей нужно так перекроить обмен веществ, что станет не понятно, как жить с этим. Идея шапки-невидимки тоже выглядит сомнительно: она должна временно менять оптические свойства не только живых тканей, но и одежды и обуви, — предметов, сделанных из совсем других материалов, часто смешанных и синтетических.

Плащ-невидимка работает совсем не так, как шапка или эликсир: не меняя свойств предмета, он может направить лучи света в обход и заставить стороннего наблюдателя видеть только то, что находится позади. Сегодня субстанции с такими свойствами уже есть: это метаматериалы с отрицательным углом преломления, который заставляет лучи света огибать объект и делает его невидимым глазу.

Первопроходцем в области создания таких метаматериалов стал физик Имперского колледжа в Лондоне, сэр Джон Пендри. В середине 90-х он предположил, что достижение нужного угла преломления возможно не столько за счет химического состава молекул, сколько за счет их расположения. Ученый исходил из всем известного факта: на границе сред волны могут отражаться или преломляться, а внутри среды — поглощаться или проходить сквозь нее. Он предложил использовать материалы, в состав которых входит металл (проводник электричества) и диэлектрик. Тем не менее, когда в 2006 году дошло до опытов, выяснилось, что метаматериалы Пендри делают предметы невидимыми только в инфракрасном диапазоне. Тогда профессора Мичиганского университета Елена Семушкина и Сян Чжан предложили отказаться от металла и использовать только диаэлектрики: например, одноосные кристаллы, для которых характерно двойное лучепреломление при всех направлениях падающего света, кроме одного.

Чтобы сделать плащ-невидимку, такие кристаллы начали исследовать физики из Бирмингема. Вскоре им удалось создать материал с одноосными кристаллами нитрида кремния на прозрачной нанопористой подложке оксида кремния. Когда все кристаллы оказались на подложке, в них проделали отверстия нанометрового диаметра. В результате получилось гладкое оптическое зеркало, которое способно скрывать объекты в видимом диапазоне. Именно такую технологию, возможно, использовали канадские создатели военных «исчезающих плащей», которые пока держат состав своего материала в секрете.

Канадская компания Hyperstealth специализируется на камуфляже и выпускает ткань Quantum Stealth. Этот мягкий материал обводит свет вокруг объекта и позволяет сделать его невидимым для глаз, приборов ночного видения и тепловизоров, а также скрывает тень. Материал работает без камер, батарей, ламп и зеркал, мало весит и, по словам разработчиков, стоит недорого. Тем не менее, купить его пока нельзя, ведь изначально эта ткань была предназначена для канадской, американской и британской армии. Военные и представители групп быстрого реагирования начали тестировать Quantum Stealth в 2012 году. В апреле 2014 года Hyperstealth объявила о запуске коммерческого варианта своего плаща-невидимки: Hyperstealth INVISIB. Его свойства будут не такими удивительными, как у армейского аналога, однако исчезновений все равно можно будет добиться. Сейчас компания оформляет права интеллектуальной собственности на массовую версию разработки. Уже следующем году она, возможно, попадет на рынок.

Ученые из Университета Техаса в Далласе разработали технологию использования углеродных нанотрубок, которая позволяет «стирать» объекты. В ее основе лежит эффект миража, или фототермическое преломление. Чтобы заставить предмет «исчезнуть», специалисты используют цилиндрические молекулы углерода с высокой теплопроводимостью. Включая и выключая подачу тока, ученые нагревают и остужают материал, вынуждая предмет за ним появляться и пропадать. Основная проблема техасского изобретения, тем не менее, заключается в том, что для его работы скрываемый объект непременно должен находиться в контейнере с водой.

Американское архитектурное бюро GDS строит в Сеуле невидимый небоскреб Infinity. В высоту это здание будет достигать 450 м. Для строительства его создатели используют бетон и стекло, а невидимости планируют добиться за счет использования оптических видеокамер и дисплеев на фасаде. Камеры будут снимать то, что находится позади небоскреба, и транслировать изображение на его стены. Это создаст впечатление, что вы смотрите сквозь здание, а то и вовсе не видите его. Чтобы дисплеи смогли точнее отображать пейзаж, у Infinity будет три вертикальные секции, каждая с шестью сторонами. Правда, по углам, на стыке дисплеев, небоскреб все равно будет выглядеть заметным. До тех пор, пока мы не изобретем мягкие дисплеи достаточной прочности, устранить эту проблему не получится.

Способность каракатиц, кальмаров и осьминогов становиться невидимыми в воде позволила ученым из Университета Калифорнии и Университета Дьюка создать «плащ-невидимку» для морских пехотинцев. Они использовали белок под названием рефлектин, способный подстраиваться под свет с разной длиной волны. Специалисты нашли его в тканях кожи кальмара лонгфин (Loligo pealeii), которого изучали по заказу Службы военно-морских исследований США. Они обнаружили, что в его тканях чередуются слои клеток с высоким и низким показателем преломления. Сокращая и увеличивая расстояние между слоями, кальмар «отражает» свет разного диапазона и меняет цвет. Чтобы воспроизвести эту способность, ученые выделили рефлектин из клеток с высоким показателем преломления и поместили слой этого белка на и пленку. Попеременно обрабатывая материал водяным паром и раствором кислоты, они смогли заставить слой белка расширяться и опадать, меняя цвет. Специалисты говорят, что их разработка станет «первым решающим шагом» к созданию исчезающего плаща. Такая самонадеянность понятна: ведь если, повторяя за птицами, мы научились летать, почему бы нам не научиться быть невидимыми, повторяя за кальмаром?

Невидимость — как и путешествие во времени, телепортация, левитация и сверхскорость — является предметом обсуждения научной фантастики с самого ее появления. Среди самых известных примеров — та невидимость, которую использовали ромуланцы в «Звездном пути», Гарри Поттер с помощью плаща и Фродо, чтобы пробраться в Мордор. Сотни, если не тысячи упоминаний невидимости встречаются в книгах и фильмах. На протяжении многих лет ученые придумывали интересные способы, чтобы скрыть объекты из поля зрения, только вот процесс в этих случаях был куда сложнее, чем демонстрирует научная фантастика.

Прежде чем мы сможем поговорить о, так сказать, научном плаще-невидимке, нам нужно понять отношение между светом и физическими объектами. Верьте или нет, но это отношение довольно простое. Когда мы смотрим на что-нибудь — будь это яблоко или машина — то, что мы видим, сводится к длине волны света, который отражает и поглощает объект.

В случае с Солнцем, скажем, его белый цвет связан с тем, что он поглощает все длины волн света. Тем не менее, с места в карьер, большинство людей скажет, что Солнце на самом деле желтое (но это уже совсем другое). Учитывая это, было бы нелишним спросить, можно ли сделать так, чтобы скрыть истинный цвет объекта или вообще сделать его невидимым?

Ответ куда интересней, чем кажется на первый взгляд: можно. Недавно французские ученые объявили, что нашли способ манипулировать светом таким образом, что крошечный непрозрачный объект будет совершенно прозрачным для человеческого глаза. Хотя звучит просто, на самом деле все намного сложнее.

Как это работает?

Методика, которую используют ученые, основана на квантовых эффектах. Такие вещи, как рэлеевское рассеяние, научили нас, что частицы света живут бурной жизнью, то и дело сталкиваясь с этим и тем по пути через пространство-время. Когда они вступают в контакт с молекулами и другими частицами материи, их составные части, то есть фотоны, отскакивают в разных направлениях под странными углами. Другие сложности возникают, когда мы добавляем дополнительные взаимодействующие атомы или молекулы в уравнение. В такой среде они называются квантовыми излучателями, и они чрезвычайно важны для многообещающей области квантовых технологий.

Когда один источник света вступает в контакт с другим излучателем, свет отскакивает и демонстрирует изменения в электромагнитном поле, приводящие к рассеянию фотонов, генерирующих еще более сложные волновые паттерны. Еще нужно не забыть о диполях — или квантовых излучателях с положительной и отрицательной стороной. Эта особенность, которая является результатом того, что излучатель обладает неравномерно распределенными электронами, может иметь серьезное влияние на электромагнитное поле. Электромагнитное поле каждого излучателя имеет важное значение.

В конечном счете все это часто порождает то, что называется диполь-дипольными взаимодействиями: комбинацией вещей, которые интенсивно рассеивают свет. И, как показали исследования, этот эффект можно использовать с целью манипулирования отражением света от поверхности.

Квантовый излучатель (представлен в виде голубого диска) взаимодействует с электромагнитным полем. Физики использовали диполь-дипольные взаимодействия в таких квантовых излучателях, чтобы сделать непрозрачные объекты прозрачными.

Более конкретно, ученые используют новую технику под названием DIET (диполь-индуцированная электромагнитная прозрачность), чтобы предотвратить отскакивание света от поверхности и отражение определенной длины волны, что по сути делает объект прозрачным в видимом диапазоне.

«Важность нашей работы заключается в открытии того, что очень субтильное явление (DIET) может быть использовано для управления распространением света в оптически активных средах, — рассказал соавтор работы Эрик Харрон, профессор Парижского университете в Орсэ, Франция. — Мы показали, как рассеивается свет в нанометрической системе, и этим эффектом можно управлять, чтобы сделать непрозрачный объект прозрачным на любой заданной частоте».

К чему это приведет?

Вся соль работы в том, что ученым нужно повторить свой успех на примере объекта большего, чем два атома в поперечнике (для справки, это чрезвычайно мало, если сравнивать с макромасштабами того мира, в котором мы живем). Тем не менее они уверены, что не только смогут проделать это с крупными объектами, но и обмануть наши глаза, не только сделав объект невидимым, но и окрасив его в другой цвет вообще.

Их работа также проливает свет (буквально) на способы, которыми мы можем сильно замедлить свет или вообще заморозить его. В первом случае это делается путем изменения траектории фотонов за счет взаимодействия частиц со средой. Преимущества такого прорыва слишком многочисленны, чтобы их перечислять, но безусловно — впереди предстоит еще много работы.

«В настоящее время наша цель состоит в том, чтобы перенести DIET на многоуровневую атомарную или молекулярную систему, — говорит Харрон. — Каждый излучатель будет вести себя как ряд осциллирующих диполей, таким образом открывая ряд окон прозрачности, что позволит нам вести более гибкую стратегию [манипуляций]».

Также ученые изучают методы замедления света на основе своих наработок.

Стать невидимыми скоро смогут все желающие. Российский ученый Олег Гадомский, профессор кафедры квантовой и оптической электроники Ульяновского государственного университета, по сути, запатентовал идею создания "шапки-невидимки". Правда, сокрытыми от глаз человека пока можно сделать только неподвижные тела. "При движении частота излучений меняется, и сохранить невидимость невозможно. Но в скором времени можно сделать и шапку-невидимку и волшебный плащ Гарри Поттера", — сообщили в пресс- центре Ульяновского государственного университета.

Эффект Гадомского формулируется в патенте как "Способ преобразования оптического излучения". Сам ученый объясняет его суть так: "При создании сверхтонкого слоя из микроскопических коллоидных золотых частиц находящийся за ним предмет становится невидимым. И все из-за того, что эти частицы обладают способностью не отражать свет, а значит, делают вещь, покрытую этим раствором, не воспринимаемой для глаза. Ведь мы воспринимаем все предметы именно через светоотражение".

Открытие Гадомского пока только теоретическое, но доказанное формулами и уравнениями. Преподаватель уверен, что элементы "шапки-невидимки" могут быть полезны не только для того, чтобы скрыть какой-то предмет: частицы коллоидного золота могут быть использованы и в медицине.

До сих пор "шапку-невидимку" в отличие от "невидимого плаща" на практике никто не применял. Попытки создать "чудо-покрывало" предпринимались неоднократно и даже попеременно увенчивались успехом. В 2002 году изобретатель Рэй Алден разработал способ "трехмерной маскировки" различных объектов. Его изобретение было похоже на покрывало-невидимку. Принцип действия устройства аналогичен принципам маскировки хамелеона — оно пытается подстроиться под цвет окружающих объектов.

При этом половина покрывала-невидимки, закрывающая заднюю часть объекта, состоит из множества датчиков освещенности. Они измеряют длину волны, интенсивность и направление падающих на скрываемый объект световых лучей. На передней части покрывала располагается множество светоизлучающих устройств, которые испускают точно такие же лучи, какие падают на объект сзади. Взглянув на замаскированный объект, можно увидеть, что расположено за ним.

Правда, у такой системы маскировки есть существенный недостаток. Если смотреть на замаскированный предмет не строго спереди, а сбоку или сзади, то обнаружить его не составит большого труда, так как расположенные на задней половине маскировочного устройства световые датчики не являются невидимыми.

Невидимыми в ближайшем будущем станут не только люди и одежда, но и самолеты. В Лондоне обнародован факт существования британской программы по созданию самолета-невидимки "стелс". Работы по созданию собственного "стелса" британцы начали еще в 1994 году. Британская программа по созданию невидимого для радаров самолета носит кодовое название Replica. Ее стоимость оценивается в 20 миллионов фунтов стерлингов.

Создатели британского "стелса" раскрыли всего несколько деталей своей работы. В их числе — сведения о "серьезной программе испытаний" с использованием радаров. Результаты испытаний позволят экспертам сделать выводы о "невидимости" своей разработки. Однако информации об использовании в рамках программы Replica специальных систем понижения мощности инфракрасных, акустических и световых сигналов представители BAE Systems не привели.

Участники программы Replica заявили, что никогда не ставили перед собой цель достичь уровня "невидимости", подобного чрезвычайно дорогим американским самолетам F-117 или B-2. Однако свою задачу по достижению оптимального баланса между "невидимостью" самолета и его себестоимостью, британские специалисты считают достигнутой.