Как определить местонахождение человека в плаще невидимке. Плащ-невидимка стал реальностью

Плащ-невидимка – реальность!

Даже на видео, представленном учёными, абсолютно ничего не видно ни кота, ни золотой рыбки….

Физики из Технологического университета Наньянг в Сингапуре утверждают, что разработали материал, который может сделать предметы невидимыми под определенным углом.

«Плащ-невидимку» ученые создали из тонких стеклянных панелей, которые превращают объекты в невидимки под определенным углом преломления света.

Авторы изобретения даже сняли видео, на котором, при определённой доли воображения, можно разглядеть, как работает плащ-невидимка.
В первой части, благодаря куску волшебной ткани, исчезает в контейнере, выполненном из секретного материала, котенок, а во втором отрывке – исчезает золотая рыбка в аквариуме.

По мнению разработчиков, «плащ-невидимка» будет, востребован, как в работе спецслужб, так и в индустрии развлечений.

НАШ КОММЕНТАРИЙ

Денис Васечкин, корреспондент портала «Добрый вечер!», военный обозреватель:

В принципе, физики давно создали технологию, которая позволяет делать невидимыми объекты в трехмерном пространстве. В своей работе ученые использовали метаматериалы - материалы, свойства которых, в первую очередь, зависят от структуры, а не от химического состава. Метаматериалы способны искажать пути попадающих на них лучей света таким образом, что наблюдатель, которого достигают отраженные лучи, видит не реальную картину, а некую иллюзию.

Авторы новой работы, в число которых входит один из главных специалистов по невидимости, американец Джон Пендри, научились делать невидимым объект, находящийся под слоем метаматериала (в качестве аналогии можно привести мяч, спрятанный под ковром). Пластинка из метаматериала была сделана из тонких кремниевых слоев, уложенных друг на друга, между которыми находилась прослойка из полимера определенной структуры.

Метаматериал помещался на подложку из золота, на которой был сделан бугорок. "Ковер-невидимка" из метаматериала так изменял пути световых лучей, что наблюдатель не видел бугорка.

Причем, в отличие от предыдущих технологий, невидимость обеспечивалась во всех трех направлениях. Правда, размер бугорка, который ученым удалось замаскировать, составлял всего 30 на 10 на 1 микрометр. По словам авторов работы, теоретически, с помощью нового метода можно делать невидимыми и более крупные объекты, однако для этого придется затратить массу усилий на изготовление ковра-невидимки.

Еще одно ограничение новой работы - длина волны излучения. Пока физики смогли "приспособить" только инфракрасный диапазон. Однако, по их словам, точно так же можно маскировать объекты и для видимого света.

Теоретические основы создания невидимости были впервые предложены Джоном Пендри в 2006 году. С тех пор ученые смогли воплотить некоторые из теоретических концепций на практике (хотя большая часть работ по-прежнему теоретические).

Фокусы уже многие столетия вызывают восхищение зрителей, которые по-прежнему верят в создаваемые иллюзионистами оптические обманы. Когда фокусник достает из мокрой вазы сухой платок или ходит по воздуху, он использует систему зеркал: они заставляют свет преломляться таким образом, чтобы у зрителей появилась иллюзия чуда.
Тем же принципом оптического обмана воспользовались физики. Человек или прибор фиксируют присутствие некоего объекта только потому, что тот отражает падающие на него лучи света. Чтобы сделать объект невидимым, необходимо исключить попадание отраженных от него лучей в глаза наблюдателя или на детекторы прибора.

В середине августа коллектив ученых из Университета Юты описал, как этого можно добиться, используя нехитрые устройства, генерирующие электромагнитные волны. Предложенная исследователями схема очень проста. Объект, который необходимо экранировать от наблюдателя, помещается между тремя генераторами, или излучателями.
Когда луч детектора попадает на объект, часть составляющих его волн отражаются и начинают распространяться в пространстве. Возникающая картина очень напоминает расхождение кругов на воде от брошенного камня. Если "круги" достигнут наблюдателя - он увидит объект.

Воспрепятствовать распространению отраженного излучения должны волны, производимые генераторами. Их параметры подбираются так, чтобы при столкновении с идущими от объекта волнами последние оказались нейтрализованы.
Явление сложения волн, при котором они усиливаются или ослабляются, носит название интерференции.

Полное взаимное уничтожение волн происходит в том случае, когда их разность фаз равна половине периода (интерферировать могут только волны с одинаковой частотой, которая связана с периодом обратным соотношением).

Производимое генераторами излучение не только "стирает" волны, отраженные от объекта, но также восстанавливает разрывы в волновом фронте луча детектора. Бреши возникают как раз из-за того, что часть излучения отражается от объекта или поглощается им. Пока авторы разработали теорию маскирования объектов только для двумерного пространства.

Однако, по их словам, в привычном нам трехмерном мире все будет работать примерно так же. Новая технология позволит прятать объекты от излучения с самыми разными длинами волн.

То есть, теоретически, объекты могут становиться не только невидимыми для ультразвука, рентгена, видимого света, но также неслышимыми (или, напротив, недоступными для шума) и устойчивыми к землетрясениям (сейсмическим колебаниям). Основным недостатком нового метода является отсутствие практической демонстрации его возможностей. Исследователи не проводили экспериментов, а ограничились только теоретическими выкладками. Описанный ими способ маскирования объектов получил название активного.

До сих пор ученые создавали невидимость в теории и на практике по другому принципу. Объекты также скрывались от наблюдателя за счет оптического обмана, однако для его создания не использовались дополнительные источники излучения. В качестве "шляпы волшебника" выступали упомянутые метаматериалы.

Также и команда китайских ученых заявила, что им удалось обратить эффект невидимости, создаваемый особыми материалами. Объект, закрытый таким материалом, становится невидимым наблюдателю, так как структура материала изменяет пути лучей света.

Однако, если вместо объекта за материал, создающий невидимость, поместить наблюдателя, то он не сможет увидеть предметы, находящиеся по другую сторону материала. В пресс-релизе исследователи отмечают, что им удалось разработать технологию, "уничтожающую" этот эффект.

Некоторые из созданных недавно метаматериалов обладают отрицательным показателем преломления. Свет в таком материале распространяется так, что направление фазовой скорости электромагнитной волны оказывается противоположным направлению ее распространения.

Суперлинзы, сконструированные из материалов с отрицательным показателем преломления, делают находящийся за ними (или даже рядом с ними) объект невидимым.

Подобные суперлинзы не имеют "обратной стороны". То есть, с обеих сторон материал является непреодолимой преградой для света. Китайские ученые разработали принцип материала, который сможет обратить этот эффект.

Материал "плаща-невидимки" заставляет свет огибать объект, однако если он (материал) будет соприкасаться с "анти-плащом-невидимкой", то часть световых волн отразиться от антипода и дойдет до наблюдателя. Таким образом, находящийся за "плащом-невидимкой" наблюдатель сможет в месте контакта "плащей" обращать эффект.

Возможность по своему желанию становиться невидимым столетиями входила в первую тройку величайших человеческих желаний наряду с полетами и способностью видеть то, что далеко. Сегодня это больше не сюжеты из сказки: у нас уже есть самолеты, орбитальные станции, телевидение и интернет. Созданием реального плаща-невидимки учёные занялись лишь четверть века назад, однако за столь короткий промежуток времени они успели найти сразу несколько технических решений этой задачи.

Для того чтобы понять, что такое «невидимость», необходимо сперва разобраться, что такое «видимость». В вакууме или в прозрачной среде лучи света распространяются прямолинейно. Однако, если луч встречает преграду, он трансформируется - отражается, преломляется, поглощается. Попав в человеческий глаз, такой видоизмененный луч и позволяет нам «видеть». Сказанное справедливо для непрозрачных предметов, но зато проходя через тонкое стекло, луч света почти не претерпевает изменений и потому преграда практически невидима.

Представьте себе тонкую струю воды, падающую вертикально вниз. Подставим под струю мячик от настольного тенниса. Вода, попав на шарик, стечёт по его поверхности, а снизу опять превратится такую же тонкую струю. И глядя на неё, можно подумать, что струя не встречала никакой преграды. Значит, для создания плаща-невидимки необходимо сделать так, чтобы любой луч, упавший на человеческое тело, не трансформировался, а продолжал свой путь в том же направлении, с той же яркостью и спектральной частотой, будто бы он прошёл через тонкое стекло. Какие же технологии позволяют превратить теорию в практику?

Метаматериал Quantum Stealth

Плащ-невидимка не должен изменять свойства предмета - он просто направляет лучи света в обход и заставляет 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, приборам ночного видения и тепловизорам, а также скрывает тень.

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 счёт их расположения. Учёный исходил из всем известного факта: на границе сред волны могут отражаться или преломляться, а внутри среды - поглощаться или проходить сквозь неё.

В 2006 году профессора Мичиганского университета Елена Семушкина и Сян Чжан предложили использовать диаэлектрики: например, одноосные кристаллы, для которых характерно двойное лучепреломление при всех направлениях падающего света, кроме одного. К исследованию подключились физики из Бирмингема, и вскоре им удалось создать материал с кристаллами нитрида кремния на прозрачной нанопористой подложке оксида кремния. Проделав в кристаллах отверстия нанометрового диаметра, учёные получили гладкое оптическое зеркало, которое способно скрывать объекты в видимом диапазоне.

Уникальный материал под названием Quantum Stealth работает без камер, батарей, ламп и зеркал, мало весит и, по словам разработчиков из компании Hyperstealth, стоит недорого. Тем не менее, купить уникальную ткань пока нельзя, ведь изначально она 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, который должен появиться в продаже уже в этом году.

Гардероб из кальмаров

Способность каракатиц, кальмаров и осьминогов становиться невидимыми в воде позволила учёным из Университета Калифорнии и Университета Дьюка создать «плащ-невидимку» для морских пехотинцев. Впрочем, он не сделает их в буквальном смысле невидимыми, по позволит гениально маскироваться на фоне окружающей местности, буквально растворяясь в пейзаже.

Специалисты использовали белок из кожи кальмара лонгфин (Loligo pealeii) под названием рефлектин, способный подстраиваться под свет с разной длиной волны. Они обнаружили, что в 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, учёные поместили слой этого белка на оксид-графеновую и диоксид-силиконовую плёнку. Попеременно обрабатывая материал водяным паром и раствором кислоты, они смогли заставить слой белка расширяться и опадать, меняя цвет. Это лишь первый этап работы, но уже нет сомнений, что появление уникальной новинки - лишь вопрос времени.

Щит из радиоволн

Световые лучи и радиоволны имеют одну и ту же природу - это электромагнитные колебания. Разница заключается лишь в длине волны. У видимого света она измеряется долями миллиметра, а радиоволны могут быть в несколько километров длиной. От длины волны зависят и некоторые физические качества. Например, свет при обычных условиях может огибать только сопоставимые с длиной волны препятствия. Средние волны могут огибать человеческое тело, здания и другие объекты. А длинные волны могут обойти даже земной шар.

Однако луч света, совмещённый с радиоволной, перенимает часть её свойств и тоже начинает огибать препятствия. В истории известно много случаев столкновения самолетов с радиопередающими вышками. Как правило, причина кроется как раз в этом эффекте: при определённой длине волны детали вышки утрачивают визуальную чёткость. Лётчики жаловались на то, что антенны не были видны, или имели размытые контуры.

Чтобы добиться подобного эффекта для человека, нужно точно рассчитать длину радиоволны в зависимости от размера объекта. Опытным путём была выведена закономерность, согласно которой световые лучи свободно огибают человеческое тело, если оно само излучает поток радиоволн с частотой 1456 килогерц (+- 5%). Любой грамотный радиолюбитель может стать невидимым при помощи источника питания 1.5 В, катушки индуктивности, конденсатора и крепящихся к телу клемм.

Устройство испытывалось на многих людях с неизменным успехом, однако вскоре выяснилось, что невидимость пробуждает в людях не самые лучшие качества. Например, Стив Р. из Бостона бесплатно слетал в Европу, проникнув невидимым в самолет «Бритиш Аируэйз». Некий Марк А. вообще не придумал ничего лучшего, чем похитить портативный DVD плеер из магазина, а через неделю был арестован при попытке продать его. Невольно вспоминается супергеройская мудрость: «Большая сила - большая ответственность»…

Американские ученые создали опытный образец плаща-невидимки. Он прекрасно виден невооруженным глазом, но, тем не менее, оправдывает свое название.

Плащ сделан из композитного материала с необычными свойствами. Цель экспериментов — сделать объекты незаметными для радаров.
Добиться такого же эффекта с волнами в оптическом диапазоне будет сложнее, но и эта задача разрешима.

Ученые шутят, что им «удалось увидеть невидимость». К чисто научному волшебству присмотрелся корреспондент НТВ Антон Вольский .

Плащ-невидимка пока еще и на плащ-то не похож, с виду он напоминает просто набор колец, сделанных из чудо-вещества.

Дэвид Шуриг, разработчик плаща: «Весь секрет в материале, из которого сделаны медные кольца и нити. Они образуют замысловатый рисунок, который невидим в микроволнах».

Открытие американских ученых стало возможно благодаря работе российского физика Виктора Веселаго. В 60-х годах он предсказал возможность создания вещества с негативным индексом преломления.

Дэвид Шуриг, разработчик плаща: «Этот материал даже называется „материалом Веселаго“ или „материалом левой руки“».

Принцип работы можно объяснить на примере ручья, обтекающего камень. Подобно воде, микроволны в этом эксперименте обходят вокруг предмета, не изменив своей формы.

Дэвид Шуриг, разработчик плаща: «Если вы смотрите на плащ, то будете видеть только то, что находится за кольцом. Все, что вы поместите внутрь кольца, станет невидимым».

Однако пока изобретение незаметно только в микроволнах. На то, чтобы этот предмет стал настоящей невидимкой, уйдет еще 10 лет.

Дэвид Симит, разработчик плаща: «Дело в том, что длина микроволн, в которых испытывалась новинка, равна 3,5 сантиметрам. А длина световых волн, которые мы видим, меньше одной стотысячной сантиметра. Именно поэтому рисунок на плаще-невидимке должен быть намного тоньше».

Однако даже в микроволнах плащ отбрасывает тень. Ученые борются с этим недостатком своего детища. Главное достижение специалистов состоит в том, что они доказали принципиальную возможность создания плаща-невидимки.

Дэвид Симит, разработчик плаща: «Новейшей технологией уже заинтересовались военные и школьники. От них мы получаем больше всего запросов».

Однако новый материал может быть использован только в военных целях. Теперь конструкторы способны изготовить самолет или танк, которые будут невидимы для радаров. Также изделия их колец и нитей могут применяться в качестве защиты от радиации.

Все разговоры про шапки-невидимки были до недавнего времени исключительно уделом фантастов. Теперь можно с уверенностью утверждать, что плащ-невидимка стал реальностью.

Сказка часто становится былью. Ковры-самолеты, волшебные блюдца, в которых отражается далекая реальность, сапоги-скороходы и многие другие выдумки стали вполне обыденной реальностью. Теперь на очереди шапка-невидимка. По крайней мере, американский журнал «Наука» опубликовал статью, в которой изложены основные принципы действия практически идеального средства маскировки.

Проблемы невидимости

Проблемой оптической скрытности объектов занимаются ученые кафедры материаловедения Национальной лаборатории имени Лоуренса в университете Беркли. Руководит работами м-р Сян Чжан. Общая идея состоит в том, чтобы заставить свет огибать некий объект. Подобные разработки уже производились в прошлом, но успеха не дали по той причине, что предыдущие попытки могли отклонять лучи в узком угловом диапазоне. Полной оптической проницаемости или ее иллюзии достигнуть пока так и не удалось. Искажение картины позволяет производить локацию объекта (то есть его визуальное обнаружение). Проблему представляла и недостаточная гибкость маскирующих поверхностей. Всех этих недостатков лишен ультратонкий материал, разработанный в Беркли. «Плащ», изобретенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса, гибок, но пока слишком дорог.

Принцип действия

Роль сказочников в наше время играют кинематографисты. В фильме «Хищник», Чужой (антагонистический персонаж) использует маскировочное устройство для того, чтобы скрытно приближаться к своим жертвам. Эффект далек от совершенства: пришельца выдают искажения света. Он не прозрачен (хотя обнаружить врага не так легко), на его месте наблюдается некое марево. Реальность превзошла самые смелые режиссерские мечтания. «Плащ», изобретенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса, делает объект по-настоящему невидимым.

Принцип действия состоит в том, что множество микроскопических зеркал автоматически разворачиваются в направлении источника света. Примерно так же работает «столик для говорящей головы». Фокусник, окруженный снизу зеркалами, остается невидимым для зрителя за исключение возвышающейся над ними части тела. В условиях сложности рельефа и формы скрываемого объекта добиться такого эффекта очень сложно. Но все же возможно.

Технические параметры

Известно, что «плащ-невидимка» покрыт слоем фторида магния, на который нанесен узор из крошечных золотых кирпичиков-антенн толщиной в 30 нанометров. Это очень тонкая пленка, во много раз тоньше волоса. Общая толщина вместе с подложкой составляет 50 нанометров. «Кирпичики» представлены в шести различных размерах, в пределах от 30 до 220 нанометров в длину и от 90 до 175 нм в ширину. Благодаря этим микроантеннам существует возможность поворачивать зеркальные поверхности перпендикулярно направлению света и полностью его рассеивать. При этом учитывается и частота, и фаза излучения, - относительно начального параметра они повернуты на 180 градусов, что позволяет полностью его компенсировать.

При правильной настройке поверхностей полированный золотых плоскостей можно придать отраженному свету любой эффект. Он может изображать фон объекта (например, пол) или нечто совершенно другое. Если плащ-невидимка будет достаточно большим, теоретически им можно накрыть что угодно. К примеру, танк будет похожим на велосипед. Или его вообще будет не видно.

Практические перспективы

Исследования проводились в световом диапазоне с длиной волны 730 нм (ближняя инфракрасная область спектра). Наблюдалось практически идеальное отражение. Это научное достижение впечатляет и наводит на мысли о новом витке гонки вооружений. Однако думать о невидимых танках, ракетах, самолетах и прочих образцах смертоносной техники пока еще рановато. Дело в том, что эксперименты производились с неким объектом сложной пространственной конфигурации, величиной в 36 мкм в аппроксимированном диаметре. Если в дюймах, то это примерно одна тысячная. В миллиметрах… в общем, обычная песчинка, только очень маленькая. Именно ее обернули таинственным «плащом-невидимкой». Наука умалчивает о том, в какую сумму обошлось сделать ее оптически прозрачной.

Впрочем, когда-нибудь и это изобретение может получить практическое применение. К примеру, экраны кинотеатров в настоящее время должны быть идеально ровными, а в случае применения «умных кристаллов-микроантеннок» это требование окажется ненужным, и изображения можно будет проецировать на любые криволинейные поверхности без искажений.