Долгое время идеи о существовании плащей-невидимок, шапок-невидимок и другой подобной маскировочной одежды были только в сказках и фантастических произведениях. Но, начиная с нулевых годов, ученые стали выдавать на-гора множество работ, которые делали перспективу появления устройств, скрывающих окружающие предметы, все более реальной.

Хитрые материалы

Первым человеком, с которого началась история практической невидимости, был советский физик Виктор Веселаго. В 1967 году он предположил, что некоторые материалы могут так преломлять проходящий сквозь них свет, что «на выходе» наблюдатель будет видеть самую настоящую оптическую иллюзию. Но 44 года назад ученые не знали ни одного примера такого материала, так что выводы Веселаго посчитали просто экстравагантной гипотезой. Но в 2000 году сразу две группы исследователей (на этот раз уже зарубежных) описали, как должен быть устроен странный материал и что с ним можно делать.

Секрет хитрого преломления света внутри чудо-материалов (их относят к особому типу так называемых метаматериалов) заключается в структуре: эти материалы состоят из расположенных особым образом крошечных перекладин или штырьков. Попадая внутрь запутанного лабиринта перекладин, луч света кардинально меняет свою траекторию.

Метаматериалы, способные делать находящиеся рядом с ними объекты невидимыми, стали хитом физических исследований последних лет. Однако у них есть два серьезных недостатка, которые ученые на сегодняшний день не преодолели. Во-первых, метаматериалы «работают» для излучения только определенных длин волн — например, для микроволн. Скрыть объект при облучении светом оптического диапазона — того, который мы можем видеть невооруженным глазом,— метаматериалы пока не могут. Вторая проблема — размер маскируемого объекта не может быть больше длины волны «рабочего» излучения, то есть метаматериалы могут сделать невидимыми предметы размером в миллионные доли метра.

В выемке формировалось «слепое пятно»: помещенный туда предмет исчезал, а наблюдатель видел только две призмы, лежащие на подложке

Природная физика

Авторы двух новых работ придумали, как можно сделать объекты невидимым, не используя сложные в производстве и весьма дорогие метаматериалы. Ученые воспользовались веществом, которое в избытке есть в природе: для своих опытов исследователи выбрали минерал кальцит. По химическому составу кальцит, являющийся одним из самых распространенных минералов в земной коре (например, из кальцита состоят бело-желтые сталактиты и сталагмиты) — это карбонат кальция. Он встречается в различных формах, в том числе и в виде прозрачных кристаллов. Авторы новых исследований работали именно с такими кристаллами.

У кальцита есть особое свойство, которое определяется термином анизотропия. Свойства анизотропных веществ различны в разных направлениях — например, прочность хлопчатобумажной ткани выше в направлении поперек волокон, поэтому кусочки ткани легче разорвать, если тянуть их вдоль. В случае кальцита ученых интересовала оптическая анизотропия — внутри этого минерала пучок света расщепляется на две составляющие, которые путешествуют сквозь кристалл разными путями и с разной скоростью. Соответственно, правильно подобрав физические параметры фрагмента кальцита, можно добиться того, что расщепившиеся лучи обогнут определенный участок в пространстве, куда и можно спрятать объект, который нужно сделать невидимым.

Так и поступили авторы недавних работ. Они склеили вместе два куска кальцита, вырезанные в форме призм, оставив между ними небольшую клинообразную выемку (ее точные размеры — 38х10х2 миллиметра). В этой выемке и формировалось «слепое пятно» маскирующего устройства: помещенный туда предмет исчезал, а наблюдатель видел только две призмы, лежащие на подложке. Одна группа исследователей сумела замаскировать металлическую пирамиду высотой два миллиметра в воде, а вторая добилась того же просто на лабораторном столе.

Ложка дегтя

Обе работы были приняты научным сообществом с большим энтузиазмом. Однако физикам еще есть куда стремиться: кальцитная невидимость, как и невидимость с применением метаматериалов, пока еще имеет множество ограничений. Например, лучше всего предметы исчезают при освещении устройства зеленым, красным и синим светом — с остальными цветами маскировка удается не так хорошо. Кроме того, объекты исчезают только в том случае, если наблюдатель смотрит на всю систему под определенным углом — при повороте головы «пропавшая» призма немедленно вновь появляется.

Наконец, размер объектов, которые могут становиться невидимыми при помощи анизотропного минерала, хоть и на порядки больше того, о чем ученые мечтали еще в прошлом году, но все же ограничен. Более того, он напрямую зависит от размера кристаллов кальцита: в среднем, они должны быть в 20 раз больше маскируемого предмета. При таком соотношении гипотетический кальцитный плащ-невидимка будет слишком громоздким и тяжелым, чтобы его можно было носить хотя бы пару минут.

Кстати, о практическом применении. Пока специалисты не придумали, где можно было бы использовать маскирующие устройства из кальцита. Хотя несколько вариантов уже есть. «Кальцитные экраны можно было бы использовать, например, для того, чтобы скрывать подводные лодки»,— рассказал один из авторов исследования Шуан Жан. А коллега Жана по исследованию и пионер работ по невидимости с использованием метаматериалов Джон Пендри предложил другой вариант: «Маскировочные устройства изменяют пути прохождения лучей света — то есть фотонов. Теоретически, это позволит создавать новые типы чипов, в которых вместо электронов работают фотоны».

Думается, как это обычно бывает с научными достижениями, стоит только довести их до ума, как за применением дело не станет.