Цивилизация
Люди с давних времен хотят научиться делать себя и другие предметы невидимыми. В мировой литературе эта тема встречается с завидной регулярностью — начиная от русских народных сказок, рассказывающих про шапку-невидимку, до книг про Гарри Поттера, где герой пользуется мантией-невидимкой. И это не говоря о многочисленных фильмах про человека-невидимку.
До создания сказочных предметов, делающих их обладателей невидимыми, ученым еще далеко, но работы в данном направлении они ведут, получая при этом ряд интересных и очень полезных для применения на практике результатов.
Так, математики из Университета штата Юта смоделировали новый принцип маскировки объектов, основанный на использовании так называемых волновых источников маскировки. Допустим, что у нас есть предмет, который мы хотим скрыть от идущего волнового фронта. Источники маскировки представляют собой объекты, которые генерируют волны на небольшие расстояния, заставляющие волновой фронт огибать предмет.
В результате предмет остается «невидимым».
«Наши расчеты показали, что таким образом можно скрывать объекты любой формы не только от волн с одной частотой, но и от импульсов, которые были сгенерированы многочастотными источниками, — заявил Грэм Мильтон, ведущий автор публикации. – Это новый метод сокрытия объектов. Мы проводили расчеты для двумерной плоскости, но этот метод легко применять и для трехмерного пространства, и можно маскировать реальные объекты. Речь идет об активной маскировке, которая использует устройства, активно генерирующие электромагнитные поля и не являющиеся так называемыми метаматериалами, которые пассивно защищают объекты от прохождения электромагнитных волн».
Один из недостатков метаматериалов заключается в том, что их свойства сильно зависят от частоты излучения, из-за чего сложно получить «невидимость» в широком диапазоне частот. То есть, грубо говоря, применяя защиту из метаматериалов, можно добиться того, что в оптическом диапазоне объект будет невидимым в красном цвете, но будет хорошо заметен в голубом.
То есть основная идея работы напоминает известный пример по демонстрации интерференции, когда в воду одновременно бросают два камня и наблюдают за встречей волн, которые расходятся от них. В случае нулевой разности фаз возникает результирующее колебание с удвоенной амплитудой.
Если же разность фаз составляет половину периода, то амплитуда результирующего колебания будет равна нулю и никакие волны наблюдаться не будут.
Еще одним схожим примером идеи работы являются шумоподавляющие наушники, которые в самолетах получают пассажиры, летающие бизнес-классом. Принцип действия таких наушников заключается в том, что окружающий шум, воспринимаемый микрофоном, воспроизводится в них в противофазе, компенсируя шум, поступающий помимо них.
Подобная идея заложена и в основе расчетов по сокрытию объекта на разных частотах. С тем, как работает их идея, авторы предлагают ознакомиться с помощью видео на примере уголкового отражателя. В случае отсутствия маскировки (левая часть экрана) на поверхность отражателя попадает волновой фронт, который перенаправляется в разные стороны.
В случае если отражатель находится в окружении трех маскировочных устройств, волновой фронт начинает взаимодействовать с ними и минует отражатель.
Мильтон отметил, что предыдущие исследования касались сокрытия скоплений малых частиц, теперь же речь идет о больших объектах. Ранее самым большим объектом, который можно было сделать невидимым для микроволнового излучения, был медный цилиндр шириной 4 дюйма. Теперь же от радара, который излучает на длине волны 4 дюйма, можно скрыть тело как минимум в 10 раз больше длины волны, то есть размером в 40 дюймов.
Правда, за счет того, что длина волны видимого света составляет несколько тысяч ангстрем, получается, что результаты работы, опубликованной в Optics Express, можно использовать для маскировки оптических объектов только лишь микроскопических размеров.
Зато результатам работы ученых в недалеком будущем можно найти очень широкое применение относительно волн большой длины.
Так, новые перспективы открываются перед военными: подводные лодки и боевые истребители можно сделать «невидимыми» для локаторов и радаров, работающих в радиодиапазоне. К тому же результаты работы касаются не только электромагнитного излучения. Правильно подобранные источники «маскировки» можно использовать для ослабления мощности сейсмических волн при землетрясениях и морских волн при цунами, что позволит свести последствия этих природных катаклизмов к минимуму. Правда, есть проблема: чтобы вовремя включить источники «маскировки», нужно заранее знать, откуда, куда и с какой мощностью пойдет сейсмическая волна. Впрочем, большое количество датчиков, расставленных по земному шару, могут решить и эту проблему.
«Это увлекательная математическая задача, решение которой, возможно, не приведет к созданию мантии-невидимки из «Гарри Поттера», но найдет свое применение в других областях», — подытожил Грэм Мильтон.