Шапка-невидимка. Теория и практика.

[Сергей на Форуме]

Невидимость уже видится
Ученые заявили об открытии метаматериалов, пригодных для создания невидимости

11 августа 2008 года сразу две группы американских ученых объявили о создании новых материалов с отрицательным показателем преломления. Подобные материалы существовали и ранее, однако они работали только для электромагнитных волн, распространяющихся в определенной плоскости, и узкого диапазона частот. В перспективе подобные материалы могут применяться для создания маскирующих экранов, которые будут делать объекты в определенной зоне невидимыми для стороннего наблюдателя.

Обе группы ученых работали под руководством Сян Джан (Xiang Zhang) из Калифорнийского университета в Беркли, США, при финансовой поддержке военных.

Отрицательный показатель преломления означает, что свет в материале распространяется особым образом: направление фазовой скорости электромагнитной волны оказывается противоположным направлению ее распространения. Впервые понятие материала с отрицательным показателем преломления появилось в работе советского физика, ныне профессора МФТИ, Виктора Веселаго в 1967 году. Однако тогда эти выкладки посчитали не более чем гипотетическими умозаключениями. Да и сам автор не смог предъявить научной общественности конкретный материал с такими свойствами. Стоит заметить, что это не вина исследователя: в природе до сих пор не обнаружено веществ с отрицательным коэффициентом преломления. Таким образом, результаты Веселаго оказались забыты на сорок лет.

В 90-х годах прошлого века с расцветом нанотехнологий расцвела и теория метаматериалов - материалов, свойства которых определяются особенностями конструкции, а не химическим составом. В 2000 году Дэвид Смит из Калифорнийского университета в Сан-Диего показал, что, если материал с определенными свойствами нельзя найти, то его можно создать.

Простейшим примером метаматериала служит металлическая сетка. Свойство пропускать свет не зависит от металла, из которого она изготовлена. С этого и начал Дэвид Смит. Он взял листы медной сетки и расположил их в несколько слоев. Он даже не использовал нанотехнологии – размер ячеек был чуть больше 2,5 миллиметра. Выбрав ячейки должным образом, Смит добился того, что этот медный "пирог" стал для электромагнитных волн с частотой 10 гигагерц материалом с отрицательным коэффициентом преломления.

В этом же году случилось другое важное событие: британский физик Джон Педри теоретически показал, что из материалов с отрицательным коэффициентом преломления (которых, напомним, на момент написания работы открыто еще не было) можно создать суперлинзу. Оптические устройства с положительным показателем преломления ограничены дифракционным пределом — они могут показывать детали, размер которых равен или больше длины волны света, отраженного от объекта. Дифракция накладывает теоретический предел на системы создания изображения. К несчастью, самая короткая длина волны видимого света составляет около 380 нанометров. Это означает, что в обычный оптический микроскоп нельзя рассмотреть атомы (0,1 нанометра), молекулы (0,5 нанометра), вирусы (20-300 нанометров). Чтобы обойти этот предел ученым пришлось создать электронную микроскопию, дифракционную рентгеноскопию и другие сложные и дорогие технологии.

Джону Пендри удалось показать, что линза, сделанная из метаматериала с отрицательным коэффициентом преломления, не обладает дифракционным пределом. Это означает, что теоретически представляется возможным создавать оптические микроскопы с недоступным ранее разрешением. На практике эти результаты были подтверждены спустя семь лет, в 2007 году, несколькими независимыми группами исследователей по всему миру. Но оказалось, что и это ещё не все.

В 2006 году уже сэр Джон Пендри представил на суд общественности теоретические основы невидимости. В его работе утверждалось, что если объект поместить внутрь специально сконструированной суперлинзы, то для стороннего наблюдателя этот объект станет невидимым. Световые волны, подчиняясь внутренней структуре материала, будут огибать его со всех сторон; правда, в работе отмечалось, что материалов с подобными свойствами в настоящее время не существует. Несмотря на это, Агентство передовых исследований при Министерстве обороны США (DARPA) выделило на научную работу солидный грант. С тех пор группа Пендри сообщила о нескольких существенных результатах: к концу 2009 года они пообещали создать материал, делающий объект невидимым в диапазоне радиочастот, а к 2011 году сделать невидимым танк.

Последнее из ключевых событий случилось в июне 2008 года. Математик Грейм Милтон (Graeme Milton) из Университета Юты обнаружил у некоторых суперлинз маскирующую зону. Оказалось, что объект не надо помещать внутрь линзы, достаточно поставить его рядом. Лучи света, отраженные от объекта, будут скрываться лучами света преломленными линзой. Отраженный свет не будет достигать наблюдателя, и объект будет для него невидим. В этом смысле невидимость Милтона напоминает шапку-невидимку: достаточно одеть ее, и становишься весь невидимым, в то время как невидимость Пендри – это плащ, в который необходимо укутываться. В доказательство работоспособности своей теории американские математики представили компьютерную программу для случая плоских (двумерных) магнитных волн. Как это будет выглядеть в пространстве (трехмерном), ученые не ответили.

К августу 2008 года уже набралась достаточно большая коллекция метаматериалов с отрицательным показателем преломления. И вот, наконец, 11 августа на суд научного сообщества были представлены сразу два материала, которые по утверждениям создателей обладают отрицательным показателем преломления для широкого диапазона электромагнитного излучения. В частности, в этот диапазон попадают частоты видимого света. Вообще говоря, это не первый материал с подобными свойствами. В 2007 году исследователи из Принстона представили многослойную конструкцию из серебра и полупроводников, которая также обладала похожими свойствами. Однако она поглощал большую часть излучения, что делало невозможным его применение в оптике.

Как утверждают создатели, новые материалы лишены подобных недостатков. Схема первого напоминает принстонский аналог. Сами ученые называют ее "рыболовной сетью". Материал представляет собой несколько чередующихся слоев серебра и фторида магния, в которых проделаны отверстия нанометрового размера. Из полученного материала ученые изготовили призму, для демонстрации оптических эффектов. Их работа будет опубликована в Nature.

Вторая группа исследователей использовала пористый оксид алюминия. Внутри полостей при помощи специального процесса ученые вырастили серебряные наноштыри, расположенные очень близко (на расстоянии меньшем длины световой волны) друг к другу. Работа этой группы будет опубликована в журнале Science.

Сами ученые достаточно скептически смотрят на перспективы применения этих материалов для создания плащей-невидимок. Так в телефонном интервью Reuters, один из создателей материала Джейсон Валентин (Jason Valentine) заявил, что людям пока не стоит волноваться по поводу возможного появления плащей-невидимок. Хотя он и отметил, что потенциально новый материал может быть использован для создания невидимости по методу, предложенному Джоном Пендри.

Андрей Коняев
http://www.lenta.ru/articles/2008/08/11/cloak/

[Сергей на Форуме]

British defense researchers have invented an invisible tank — or at least a way to make a tank invisible.

London's Daily Mail, Daily Telegraph and Sun all report on tests conducted by the Ministry of Defence last week in which a tank rolled across a field, completely invisible to observers standing at a certain point.

"This technology is incredible," an unnamed soldier was quoted by the Daily Mail and Sun. "If I hadn't been present I wouldn't have believed it. I looked across the fields and just saw grass and trees — but in reality I was staring down the barrel of a tank gun."

http://www.foxnews.com/story/0,2933,306678,00.html

[Pinhead]

Помнится, Перельман еще в лохматых годах в "Занимательной физике" объяснил всем любителям "невидимости", что человек видит за счет отражения света от сетчатки глаза. Т.о. если свет не будут туда попадать, то человек-невидимка сам перестанет что-либо видеть. Ну и зачем, спрашивается, подобные "плащи" и "шапки"?

[Нгаан]

British defense researchers have invented an invisible tank — or at least a way to make a tank invisible.

Прикол! Хорошо, если экипаж уже в танке. А если нет?

По лесу бредёт танкист плачет и, периодически тыкая палкой в каждый куст, бормочет:
- Вот блин, вышел "покурить", а теперь ищи его..."

[Сергей на Форуме]

за счет отражения света от сетчатки глаза.

Круто. Так и представил солнечные зайчики из глаз - как на коллаже Матроскина

ЗЫ. Ну две дырочки-то для глаз в плаще можно оставить

[tktyf]

Вообще то, за счёт преломления в хрусталике и частичного поголощения сетчаткой(если память мне не изменяет). А принцип интересный. Можно замоскировать что угодно, от рзведки в тылу врага до ракетных позиций и КП на своей территории.

[Pinhead]

ЗЫ. Ну две дырочки-то для глаз в плаще можно оставить

Ну и какая же это невидимость?

Вообще то, за счёт преломления в хрусталике и частичного поголощения сетчаткой(если память мне не изменяет)

Это не принципиально. Главное - это попадание света в глаз. Если такового нет, глаз не видит. А посему - см. выше.

[Hamster]

ЗЫ. Ну две дырочки-то для глаз в плаще можно оставить

И вы это себе представляете?
Чиширский кот?

Противник в шоке!!!

[tktyf]

Если такового нет, глаз не видит. А посему - см. выше.

Это у человека, а у техники есть ещё радиолокация и акустика.

[Pinhead]

Это у человека, а у техники есть ещё радиолокация и акустика.

Дык, я не о технике, а о плащах и шапках.

[Sotov]

Интересно, но не более! Обламаются эти ребята пока крупные объекты "невидимизировать" ))) В рамках какого нибудь опыта, при определённой длине волны пожалуйста, но покрыть весь диапазон видимого света - хм, думаю ещё не дошла техника до этого...

[Одиссей]

теоретически представляется возможным создавать оптические микроскопы с недоступным ранее разрешением

Даже если хитрую линзу удастся создать, разрешающая способность световых микроскопов не увеличится. Как бы ни вели себя световые волны внутри линзы, снаружи они будут по-прежнему огибать объекты меньше себя. Следовательно, добравшись до "суперлинзы", они попросту не будут нести информации о том, что обогнули. Для светового микроскопа, работающего с видимым спектром, минимальный размер того, что можно рассмотреть, ограничен длиной фиолетовой волны --- 4000 ангстрем (400 нанометров). Ультрафиолет даёт больше, но это направление микроскопии считается бесперспективным. Т.О., по крайней мере, часть информации --- "утка", предназначенная для выбивания средств из заинтересованных лиц.
А тот факт, что невидимка должен быть слепым, можно обойти. Если вся поверхность тела будет поглощать долю процента света, обнаружить объект почти невозможно. Сфокусировав всё собранное на сетчатку глаза, собираем достаточно света, чтобы быть видящим, оставаясь невидимым. Правда, изображение будет очень нечётким, если не пропустить его через хитрую компьютеризованную оптическую систему.

[Pinhead]

А тот факт, что невидимка должен быть слепым, можно обойти. Если вся поверхность тела будет поглощать долю процента света, обнаружить объект почти невозможно. Сфокусировав всё собранное на сетчатку глаза, собираем достаточно света, чтобы быть видящим, оставаясь невидимым. Правда, изображение будет очень нечётким, если не пропустить его через хитрую компьютеризованную оптическую систему.

Я боюсь, что это будет даже сложнее, чем сама невидимость.

[Человек]

Набор тоненьких световодов не подойдет? По идее в итоге все они сведутся в один объектив. Невидимый плащ с таким зрением снаружи будет похож на стайку комаров или еще более мелкой мошки И сложность не должна быть очень высока, я еще 10 лет назад видел в магазине настольную лампу со световодами

[tktyf]

Набор тоненьких световодов не подойдет?

Светодиоды - светят, а надо наоборот. Что то вроде микротелекамер, в миллионном количестве. А ещё лучше внешний обозреватель - сидиш себе под плащиком-неведимкой, глазееш в монитор от камеры ДПЛА размером со стрекозу.

[Одиссей]

Tktyf, Вы немного ошиблись. Человек писал не "Светодиоды", а "световоды". Представьте себе тонкий шланг. Один конец у Вашего глаза, другой в тёмном кармане пальто. Лежащие там бумаги можно читать. Световоды существуют десятки лет. А идея с внешней камерой в форме стрекозы хороша. Летает себе, передаёт информацию невидимке узким неуловимым лучом на редкой частоте, все её за насекомое принимают... Вот, только, при обеспечении невидимости ещё одна трудность возникнет. Для световых волн каждой длины понадобится своя "линза". А, ведь, ещё существуют ПНВ (приборы ночного видения), у них длина волны заметно больше, чем у видимого света. Кроме того, существует эхолот и животные с хорошим нюхом. Непросто стать незаметным.

[Pinhead]

Имея такую "стрекозу", "подглядывать в тетрадки к отличникам" можно и без шапки-невидимки.
По идее, доработав ее, можно и вообще все свои дела делать сидя дома за компьютером. Вот вам самый лучший "невидимка"!

[tktyf]

Да... Надо внимательнее читать. А про маскировку со световодным покрытием я читал в ТМ. Такое покрытие делает маскируемый обьект "прозрачным", смотриш на танк, а видиш то что за ним. Только его ещё не сумели сделать.

[UncleAndy]

:? Да... Надо внимательнее читать. А про маскировку со световодным покрытием я читал в ТМ. Такое покрытие делает маскируемый обьект "прозрачным", смотриш на танк, а видиш то что за ним. Только его ещё не сумели сделать.

Да, читать действительно надо внимательно. В данном случае световоды обсуждаются не приметильно к самой невидимости, а к возможности видеть невидимым человеком.

[Одиссей]

покрытие делает маскируемый объект "прозрачным", смотришь на танк, а видиш то что за ним

Световоды можно использовать как для передачи информации видящему невидимке, так и для маскировки. Только это будет не невидимость в чистом виде, а попытка "слиться" с окружающей средой, по способу хамелеона и некоторых рыб. Самый известный пример --- камбала. Забавно бывает поставить аквариум с нею на шахматную доску. Вот, только, световодами они не пользуются. У них в коже имеются ярко окрашенные образования разных цветов. Мышцы способны растянуть их в сотни, а то и тысячи раз. Цвет образуется как в кинескопе --- комбинация основных цветов даёт другие. Процесс находится под контролем ЦНС. Так что надеть на камбалу цветные очки тоже весело. Обязательно "перекрасится" под цвет очков.
Что до маскировки танка таким способом, то она сгодится либо в полностью одноцветной среде, что редкость, либо против одиночного наблюдателя, расположение которого известно. Против двух смотрящих под разными углами "псевдоневидимость" по способу хамелеона неэффективна. Не важно, световоды маскируют танк или расползающиеся пятна.
Представьте себе танк едущий по песку лесного озера, слегка поросшего камышом. Впереди люди. Тот, что прямо по ходу, глядя на лобовую броню, должен видеть ствол и листву берёзы, которую танк только что объехал. Тем, что спереди сбоку, передняя часть боевой машины заслоняет уже не дерево, а кустарник, цветущий рядом с берёзой. При этом линия, соединяющая глаз второго наблюдателя с произвольной точкой лобовой брони заканчивается на цветке, третьего --- на ветке, четвёртый, глядя на тот же самый участок танка, должен увидеть лист, значительно темнее березового. Ещё двоим, смотрящим спереди и с другого боку, придётся показать камыш и бурелом на другом берегу озера. Шесть изображений для одной и той же точки на танке уже непомерно много, но… Доведём ситуацию до абсурда. Седьмой наблюдатель сидит на дереве над пятым и шестым. Бедная лобовая броня заслоняет ему участок открытой воды между стеблями камыша. Восьмой наблюдатель --- летающий объект спереди сверху. Это может быть самолёт, вертолёт, спутник-разведчик, камера-стрекоза, флаер --- не важно что, но бедная точка на поверхности танка обязана показать объекту песок, по которому едет боевая машина. А тот, кто сидит в озере (снизу спереди) должен увидеть вершины деревьев и участки не закрытого ими неба.
Эффект хамелеона тут бессилен, и чем крупней объект тем бесполезнее маскировка. Проблему может решить истинная невидимость или управляемая голограмма такой сложности, что дух захватывает.