Можливо, самим багатообіцяючим у плані невидимості з недавніх досягнень є екзотичний новий матеріал, відомий як «метаматеріал»; не виключено, що коли-небудь він зробить об’єкти насправді невидимими.
Забавно, але колись існування метаматеріалів також важалося неможливим, оскільки вони порушують закони оптики. Але в 2006 р. дослідники з Університету Дьюка в Дарєме (штат Північна Кароліна) і Імперського коледжу в Лондоні успішно спростували цю загально прийняту думку і за допомогою метаматеріалів зробили об’єкт невидимим для мікрохвильового випромінювання.
Перешкод на цьому шляху поки вистачає, але вперше в історії людства з’явилася методика, що дозволяє робити звичайні об’єкти невидимими. (Фінансувало ці дослідження DARPA — Агентство перспективних дослідницьких проектів Міноборони США.)
Уперше метаматеріали були теоретично передвіщені в роботі радянського фізика Віктора Веселаго в 1967 р. Саме Веселаго показав, що ці матеріали повинні мати такі незвичайні оптичні властивості, як негативний показник переломлення і зворотній ефект Доплера. Метаматеріали представляються настільки дивними і навіть безглуздими, що перший час їхня практична реалізація вважалася попросту неможливою. Однак в останні кілька років метаматеріали таки отримані в лабораторії, що змусило фізиків зайнятися переписуванням підручників по оптиці.
Що являють собою метаматеріали? Це речовини, що володіють неіснуючими в природі оптичними властивостями. При створенні метаматеріалів у речовину впроваджуються малюсінькі імплантати, які змушують електромагнітні хвилі вибирати нестандартні шляхи. В Університеті Дьюка вчені впровадили в мідні стрічки, покладені плоскими концентричними колами (все це небагато нагадує по конструкції конфорку електроплитки), безліч малюсіньких електричних контурів. Результатом стала складна структура з кераміки, тефлону, композитних волокон і металевих компонентів. Малюсінькі імплантати, що є присутніми у міді, дають можливість відхиляти мікрохвильове випромінювання й направляти його по заданому шляху. Уявіть собі, як ріка обтікає валун. Вода дуже швидко обертається навколо каменю, тому нижче за течією його присутність ніяк не позначається і виявити його неможливо. Якщо метаматеріал зможе до того ж усунути всі відбиття і тіні, то об’єкт стане повністю невидимим для цієї форми випромінювання.
Учені успішно продемонстрували цей принцип за допомогою пристрою, що складає з десяти кілець зі скловолокна, покритих мідними елементами. Мідне кільце усередині пристрою було майже невидимим для мікрохвильового випромінювання; воно лише відкидало слабку тінь.
Незвичайні властивості метаматеріалів базуються на їхній здатності управляти параметром, відомим як «показник переломлення». Переломлення — властивість світла міняти напрямок поширення при проходженні через прозорий матеріал. Якщо опустити руку у воду або просто подивитися через лінзи окулярів, можна помітити, що вода і скло відхиляють і спотворюють хід променів звичайного світла.
Причина відхилення світлового променя в склі або воді полягає в тому, що при вході в щільний прозорий матеріал світло сповільнюється. Швидкість світла в ідеальному вакуумі постійна, але в склі або воді світло «протискується» через скупчення трильйонів атомів і тому сповільнюється. (Відношення швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в середовищі називається показником переломлення. Оскільки світло в будь-якому середовищі сповільнюється, показник переломлення завжди більше одиниці.) Приміром, показник переломлення для вакууму становить 1,00; для повітря -1,0003; для скла-1,5; для діаманта-2,4. Як правило, чим щільніше середовище, тим сильніше вона відхиляє промінь світла і тим більше, відповідно, показник переломлення.
Дуже наочною демонстрацією явищ, пов’язаних з переломленням, можуть послужити міражі. Якщо ви, проїжджаючи по шосе в жаркий день, будете дивитися прямо вперед, на обрій, то дорога місцями здасться вам мерехтливою і створює ілюзію блискаючої водної гладі. У пустелі іноді можна побачити на обрії обрису далеких міст і гір. Відбувається це тому, що нагрітий над дорожнім полотном або піском пустелі повітря має більше низьку щільність і, відповідно, більше низький показник переломлення, чим навколишній його звичайний, більше прохолодне повітря; тому світло від вилучених об’єктів може випробувати переломлення в нагрітому шарі повітря і потрапити після цього в око; при цьому у вас виникає ілюзія того, що ви дійсно бачите вилучені об’єкти.
Як правило, показник переломлення — величина постійна. Вузький промінь світла, проникаючи в скло, міняє напрямок, а потім продовжує рухатися по прямій. Але припустимо на мить, що ми в стані управляти показником переломлення, так щоб у кожній точці скла він міг постійно змінюватися заданим образом, Світло, рухаючись у такому новому матеріалі, моглоб довільним образом міняти напрямок; шлях в цьому середовищі ізвивався б, подібно змії.
Якби можна було управляти показником переломлення в метаматеріалі так, щоб світло обгинало якийсь об’єкт, то об’єкт цей стане невидимим. Для одержання такого ефекту показник переломлення в метаматеріале повинен бути негативним, але в будь-якому підручнику оптики сказано, що це неможливо,
Дослідникам, які займаються постійно докучають журналісти з питанням: коли на ринку з’являться нарешті плащі-невидимки? Відповідь можна сформулювати дуже просто: не швидко.
Хоча дійсний плащ-невидимка вже не суперечить відомим законам природи — а із цим у даний момент погоджується більшість фізиків, — ученим треба перебороти ще багато складних технічних перешкод, перш ніж цю технологію можна буде поширити на роботу з видимим світлом, а не тільки з мікрохвильовим випромінюванням.
- views:
- 849
