Крокодил на воздушной подушке

Тренды
Москва, 26.02.2009
«Русский репортер» №7 (86)
Уже этой весной может появиться материал, делающий вещи невидимыми. В последние месяцы тема шапки-невидимки всплывает чуть ли не в каждом номере журналов Science и Nature. Дело, как говорят в таких случаях, пахнет Нобелевкой. В числе ее лауреатов может оказаться и российский ученый

Крокодила показывает на своем семинаре профессор Андрей Сарычев. Тропический ящер на слайде выглядит не по-зимнему бодро, кто-то из слушателей жмурится — похоже, думает про поездку куда-нибудь в Египет: праз­дники, Нил, крокодилы… Сарычева, сотрудника университета Пердью в американском штате Индиана, в Москву пригласила корпорация «Роснано» — прочесть лекцию.

Перед крокодилом слайд с формулами, довольно простыми: уравнения Максвелла, классическая электродинамика, второй курс физфака. Формулам без малого полтора века, но теперь, убеждает Сарычев, в них нашлась лазейка, позволяющая виртуальным рептилиям летать: гипотетический материал преломляет лучи так, что погруженное в него тело выглядит висящим в воздухе.

На втором курсе ничего такого не рассказывали.

Вначале была шапка-невидимка

Вокруг полно вещей, которые лучше бы не видеть. Неудивительно, что короткая статья, вышедшая в 2006 году в Science, сразу обратила на себя внимание. Ее авторы во главе с британским физиком сэром Джоном Пендри на трех страницах рассказывали, как сделать предметы невидимыми — в самом буквальном смысле.

Чтобы описать изобретение в двух словах, английские сказки подходят лучше русских. Что у Ивана-царевича шапка, то у Гарри Поттера плащ. Идея физиков состояла именно в том, чтобы «укутывать» предметы в материал с особыми свойствами. Главное, что требуется от такого плаща, — вовсе не прикрывать собой нечто (тут хватит и куска черной ткани), а убедить зрителей, что они имеют дело с пустым местом. Другими словами, заменить изображение вещи изображением того, что она заслоняет. Обычная оптика со всеми своими линзами и зеркалами здесь, к сожалению, не годится.

— Мы нашли простой способ, как скрыть участок пространства с помощью материалов, теорией которых я давно занимался, — рассказывает «РР» сэр Пендри. — Для меня это совсем не главное их применение: есть нанофотоника — замена электронике, есть суперлинзы, и, поверьте, все это гораздо интереснее.

Так заявила о себе малая и самая доступная часть «новой оптики» (которую, по-хорошему, и новой-то не назовешь — первые исследования, упомянутые в большинстве свежих публикаций, родом с Физтеха 1960-х). На самом деле физики обещают революцию зрения, какая не снилась ни одному ЖК-теле­ви­зору. Вернее, легкий способ превратить мир в одно большое кривое зеркало, где крокодилы реют над водой, а молоко плещется в воздухе вокруг бутылки.

Геометрия мнимой пустоты

Первым шагом стали расчеты сэра Пендри, как заставить лучи света обогнуть произвольный шар и выйти наружу тем же пучком, какой был на входе. Шар выбрали для простоты: какой бы формы предмет ни предстояло спрятать, его всегда можно погрузить внутрь сферы большего размера. Устроит ли заказчиков, будь то военные или архитекторы, танк либо дом, вмурованный в гигантский шар, не так важно. Задачей-минимум было доказать, что у этой физической головоломки вообще есть решение.

Лучам свойственна радикальная несгибаемость. Преломиться, как учат в школе, они способны, а вот изогнуться — нет. Даже внутри линзы или призмы, которая их преломила, свет распространяется все равно по прямой (само понятие прямой в геометрии появилось из наблюдений за светом). Правда, можно сконструировать цепочку из призм, вдоль которых свет будет перемещаться по длинной ломаной линии — а от ломаной недалеко и до кривой. В модели Пендри такую цепочку заменяет специальный материал, свойства которого плавно меняются от точки к точке. И в каждой из них материал ведет себя принципиально иначе, чем все известные людям вещества.

Взять готовое было неоткуда, зато, где искать, все уже знали. За сорок лет до этого реальность во­всю проверяли на умение «вывернуться наизнанку»: каждой частице — по античастице, каждому феномену — по брату-близнецу из зазеркалья. Тогда, в середине 60-х, московский физик Виктор Веселаго и предположил, что наравне с обычными веществами, которые он обозвал «правыми», существуют и «левые» — где свет, грубо говоря, должен двигаться задом наперед.

Свет перед светофором

«Метаматериалами» такие вещества (в числе прочих) назовут только в 1998-м — в противовес просто материалам. Реакторы, коллайдеры и иные способы синтезировать новую экзотическую материю здесь ни к чему. Отличия — в геометрии. Мир, как известно, состоит из атомов. Берем деся­ток-другой, расставляем их по своим местам внутри небольшой ячейки, а потом заполняем все пространство ее, ячейки, точными копиями. Так устроено большинство твердых веществ. Длина волны света намного больше размеров атома: масштабы соотносятся как у морской волны и гальки. Однако свет и звук реагируют на атомную решетку (те самые ячейки, повторенные во всех направлениях) еще слабее, чем цунами — на шероховатости дна.

Остается, правда, шанс исхит­риться и построить волнорезы. Или, точнее, светофоры, которые не сводят волну на нет, а перестраивают ее движение. Атомы собирают в жесткие группы — допустим, по миллиону — и выкладывают новую решетку уже из таких групп. Световые волны теперь не пройдут мимо. А, например, замедлятся в тысячу раз. Или ускорятся. Или повернут вспять. Во сколько раз изменится скорость, таким и будет индекс преломления (в случае «вспять» он, понятно, отрицательный). Это и есть метаматериал для хирургической работы с лучами света.

Хирургической — в буквальном смысле: световой пучок режут на лоскуты и собирают заново. Просто взять и разогнать каждый фотон по отдельности нельзя, потому что даже фотонам двигаться быстрее скорости света запрещает теория относительности. Речь про коллективную скорость: ученых интересует, как движутся гребни волн, а не отдельные порции воды. Разумеется, новые гребни «собраны» из материала самых разных волн, какими те были секунду назад.

Не тот свет

Разработчики «шапки» (в отличие от тех, кто ждал готового способа по-гаррипоттеровски спрятаться от недоброго глаза) никогда не забывали, что волны — это не только море и не только свет. С точки зрения физики между позывными радиостанции «Маяк» и вспышками обычного маяка особой разницы нет: и то и другое — электромагнитные волны, различающиеся частотой. Из всего спектра, от радио до рентгена, глазу доступен лишь небольшой участок — про сигналы оттуда мы говорим, что видим их. И это проблемы глаза, а не спектра.

Микроволны в этом смысле находятся на полпути между FM-радио и инфракрасными лучами (от которых до видимого света уже рукой подать). Диапазон длин волн — от миллиметра до метра: чтобы для таких собрать «волнорезы», нанотехнологии не нужны, хватит и паяльника. Неудивительно, что первый «левый» материал, появившийся в 2000 году, был мик­роволновым, а изготовленная из него в 2006-м шапка-невидимка — вполне заметна глазом и похожа на свернутую в рулон микросхему. Можно сказать, что Дэвид Смит со товарищи тогда решил вертеть волнами чуть ли не вручную: за разворот электромагнитного поля в противоположную сторону отвечали отдельные медные полоски и подковы, впаянные в пластик.

У инженеров XIX века макет умещался на столе, а настоящая конструкция требовала цеха или дока. Тут вышло ровно наоборот. Метаматериал Смита задумывался как модель будущих наноустройств: сначала все детали на виду, а затем, когда дойдет до видимого света, они приобретут микроскопический размер и станут неразличимы. Уже в 2006-м таким решением мог похвастаться японский Институт физико-хими­чес­ких исследований (Riken), где из «наноподков» собрали абсолютно прозрачный материал: в отличие от стекла, он совсем не отражает и не поглощает свет. За ним, разумеется, ничего не спрячешь, но он хотя бы прячет сам себя. И, наконец, осенью 2008-го Калифорнийский университет в Беркли предъявил почти готовый наноматериал, который действует на инфракрасные лучи.

По словам Сарычева, «левый» материал для видимого света появится уже весной. Ждать осталось всего ничего. Но это, увы, не значит, что мы сразу получим шапку-невидимку: от материала до устройства как от радиосигнала Попова до первых радиоприемников, поясняет Веселаго. Сэр Пендри называет срок в 5–10 лет и методично перечисляет по телефону, какие вопросы останутся нерешенными, когда материал для невидимости уже появится:

— Первый плащ будет очень толстым: один слой делает невидимым в красных лучах, второй — в зеленых, третий — в синих…

И это не единственная проблема.

Зонт вместо шапки

Пока одни ученые паяли «подковы», нано- и не очень, другие размышляли над несовершенством геометрии. Чертежи Пендри — и вообще идея шапки-невидимки — несли в себе не сразу заметный изъян. Допустим, мы добились своего и заставили свет огибать самолеты — но тогда летчики обречены на постоянную темноту. Просто у солнечных лучей, разминувшихся с предметом, другой адресат. Эту претензию высказывали еще Герберту Уэллсу, когда он опубликовал своего «Человека-невидимку»: тот, кого никто не видит, говорили дотошные критики-физики, сам обречен оставаться слепым.

Свет на решение, в прямом и переносном смысле, пролили в феврале этого года теоретики из Гонконга. Доктор Чэтин Чань с соавторами предложил заменить плащ зонтом-невидимкой, который будет укрывать вещи только с одной стороны. Конструкция зонта предполагает, что в метаматериал придется намертво вмонтировать «оптический антиобъект» — иначе говоря, искаженного «двойника» того предмета, который нужно спрятать. «Двойник» будет гасить рассеянные объектом световые волны и тем самым уничтожать нежелательную картинку.

Разумеется, будучи вмонтирован намертво, «антиобъект» остается одним и тем же — а, значит, сам объект не должен менять ни форму, ни позицию под зонтом все то время, пока невидим. Для небоскреба и даже самолета такой трюк годится, а вот для живого Поттера — вряд ли.

Волны реальности

Иногда, занимаясь с высокими материями, бывает полезно просто посмотреть по сторонам. Скажем, физик-теоретик, глядя, как упаковывают яблоки в магазине, взял и придумал новый способ упаковки атомов в кристаллической решетке — такого рода истории циркулируют во множестве. Следующим шагом будет показать кристаллические решетки упаковщикам яблок: вдруг и вправду по-научному выйдет эффективней?

Что-то подобное произошло и с невидимостью. Оптики слишком охотно рассуждали в терминах волнорезов о световых волнах, и в конце концов Стефан Энох из марсельского Института Френеля подумал: а почему бы не использовать те же формулы для борьбы с цунами? Его модель сети преград для океанских волн, устроенная по образу и подобию метаматериала Дэвида Смита, продемонстрировала свою действенность в небольшом бассейне с водой. И, как утверждает автор, вполне сможет спасти остров-другой от катастрофы.

Устроит ли заказчиков, будь то военные или архитекторы, танк или дом внутри гигантской сферы, пока не важно. Главное было доказать, что у головоломки вообще есть решение

Формулы для материалов с отрицательным индексом преломления уже не без успеха перенесли в акустику — чтобы, например, делать предметы «обтекаемыми» для звука. Если идею воплотят в жизнь, зрительские места за колоннами наконец-то перестанут пустовать, а те, кто мечтает об абсолютной тишине вокруг, тоже получат желаемое. Но самым не­обычным, наверное, стоит считать приложение этой идеи к волнам совсем другого сорта — квантовым волнам материи. Как-никак именно из них состоит все вокруг.

Любую частицу можно считать волной, размазанной по всему пространству. Это известно еще со времен де Бройля и Шредингера, отцов квантовой механики. Пуля, например, тоже по большому счету волна, и быть невидимыми для волн такого рода — значит быть неуязвимыми.

Как это сделать в масштабах отдельных частиц, придумал Сян Чжан из Беркли, автор десятков работ про невидимость и материалы. Трудность только в одном: чем тяжелее объект, тем слабее его волновые свойства. Поэтому пропускать сквозь себя без вреда для здоровья девятиграммовые пули люди научатся раньше, чем проходить сквозь стены — впрочем, и то и другое, похоже, случится не скоро.

Фото: D.R. Smith, D. Schurig, Duke University; Алексей Майшев для «РР»

  • 1967 Статья Виктора Веселаго «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ? и ?».
  • 2000 Суперлинзы от Джона Пендри  — пластинки  «левого» вещества, которые можно использовать как сверхмощный микроскоп.
  • 2001 Микроволновый метаматериал — первый образец «левого» вещества.  Разработчики: Шелби, Дэвид Смит и Шелдон Шульц.
  • 2005 Первая суперлинза из метаматериала. Создатели: Сян Чжан и др.
  • 2006 Чертежи плаща-невидимки: как спрятать сферу и цилиндр. Авторы: Джон Пендри, Дэвид Шуриг, Дэвид Смит.
  • 2006 Плащ-невидимка для микроволн: плоский, неэффективный, но работает. Авторы те же самые.
  • 2008 Метаматериал для видимого света: работает  только со специально отобранными лучами.
  • 2008 «Левое» вещество для инфракрасных лучей. Группа Сян Чжана.
  • 2009 «Левое» вещество для видимого света (по прогнозу Сарычева).
  • 2014–2019 Лабораторный образец шапки-невидимки (по прогнозу Пендри).

У партнеров

    «Русский репортер»
    №7 (86) 26 февраля 2009
    Свободная пресса
    Содержание:
    Фотография
    От редактора
    Вехи
    Неделя
    Путешествие
    Фотополигон
    Категории
    Реклама