Маленький Секрет четырех Овечек

МАЛОЕ СТАДО ИЗ ОВЕ4ЕК

 Овечий "плащ-невидимка" представляет собой практическое воплощение идеи устройства, появление которого было теоретически предсказано в статье, опубликованной мной несколькими месяцами ранее в 2006 году. В будущем мудрые ученые обещают разработать покрытия, способные скрывать предметы от излучения в оптическом диапазоне. То, что такой плащ-невидимка теоретически мог бы быть изготовлен, удалось показать Джону Пендраю (John Pendry), британскому физику-теоретику из Лондонского имперского колледжа (Imperial College London) и его коллегам (публикация в Science Express 25 мая 2006 г.), а вот теперь группа Дэвида Смита (David Smith) из Университета Дьюка (Duke University, штат Северная Каролина, США) доказала работоспособность этой технологии на деле (публикация в журнале Science: (DOI: 10.1126/science.1133628), 19 октября сообщение появилось в онлайновой версии журнала Science Express). Как же это работает? В основе лежит эффект "искривления пространства", однако реально искривляется лишь путь электромагнитного излучения (плавное изменение направления движения световых пучков в неоднородных средах обычно называют рефракцией), порождая своего рода мираж. "Плащ" заставляет микроволновые лучи огибать цель таким образом, что наблюдателю (который обладал бы "микроволновым" зрением) кажется, будто в этом месте вообще ничего нет, он видит те предметы, что расположены за скрытым пятном. Материалы, которые позволяют обращаться со световыми лучами подобным образом (т.е. обладают совершенно нетривиальными оптическими свойствами), в естественном виде в природе не встречаются, и их необходимо еще особым образом проектировать. Речь идет о так называемых "метаматериалах" ("metamaterials"), состоящих из повторяющихся структур с экзотическими электромагнитными свойствами - своего рода базовых электронных компонент типа конденсаторов и катушек индуктивности. Фактически это просто композиция из стекловолокна, пронизанного особыми полостями, и проводящих элементов (медь). Чтобы упростить себе задачу, физики пока были вынуждены изготавливать "плащ Смита" так, чтобы он срабатывал только в одной плоскости. Экспериментальный образец представляет собой цилиндрическую конструкцию небольшой высоты диаметром меньше пяти дюймов (13 см), состоящую из ряда концентрических колец. Совместное их действие позволяет обводить микроволны вокруг центральной области, опоясанной медным кольцом. Строго говоря, для обладателя "микроволновым зрением" медное кольцо полностью-таки не исчезает. Остается его своеобразная "тень", а также след небольшого искажения на том месте, где должно быть это кольцо. Так что сравнение с "полноценной" шапкой-невидимкой или плащом Гарри Поттера пока еще некорректно. Скорее, сравнивать нужно с боевым облачением Хищника из одноименного кинофильма или же с эльфийскими плащами, полученными Фродо и Ко в Лориэне от владычицы Галадриэль (см. эпопею "Властелин Колец" Толкиена; только то Кольцо, которое укрывал под плащом Фродо, было, конечно, не медным...). Другое важное ограничение: как уже упоминалось, система работает только в очень узком и весьма "ненаглядном" диапазоне частот (впрочем, кто знает, может быть охотившиеся за Фродо назгулы видели как раз в микроволновом диапазоне...). Хотя испытания в специальной камере подтвердили правильность теоретических выкладок ученых, фактически исследователи пока еще сделали только самые первые шаги к созданию настоящего плаща-невидимки. Теперь Смит надеется математическим образом рассчитать и построить трехмерную структуру, которая могла бы скрывать объект полностью при наблюдениях из любой точки. А проблема с видимым светом состоит в том, что экспериментаторам в таком случае придется иметь дело с гораздо меньшими длинами волн, ну а это в свою очередь означает, что оптические метаматериалы должны быть основаны уже на структурах наномасштаба, создание которых пока еще не под силу современным нанотехнологиям. К тому же, чтобы объект полностью исчез из вида, укрывающий его плащ должен будет правильно взаимодействовать с излучением одновременно всех длин волн (то есть различных оптических цветов). Технология, способная на это, потребует гораздо большего количества чрезвычайно запутанных и разнородных структур, и пока неясно, можно ли это все совместить на практике. Тем не менее, умение хорошо укрываться от вражеских радаров уже теперь наверняка будет востребовано конструкторами боевой техники - прежде всего авиастроителями (знаменитый "Стелс" в этом смысле еще далек от идеала), хотя исследователи и признаются, что для авиации это все тяжеловато. Существует также идея создания - по тем же самым технологическим принципам - "акустического плаща", который мог бы служить мощным защитным экраном, предотвращая проникновение внутрь каких-нибудь вибраций определенного сорта - то есть звуковых или же даже сейсмических волн. Подчеркнем, что речь не идет о том, чтобы как-то спрятать предмет — спрятать его можно и в непрозрачном ящике. Стоит вопрос: как сделать так, чтобы наблюдатель вообще не догадался, что в (кажущемся ему) пустом пространстве на самом деле что-то находится. В этой истории есть интересный момент, на который обычно не обращают должного внимания: это открытие — один из тех случаев, когда прикладные исследования вступают в тесный контакт с современной чистой математикой, в данном случае с теорией дифференциальных уравнений в частных производных. На днях эта связь стала еще более глубокой после появления статьи math.AP/0611185 с говорящим за себя заголовком «Полная невидимость активных устройств на всех частотах» В ней возможность существования абсолютного «плаща-невидимки» сводится к вопросу о неединственности решения задачи Кальдерона для уравнений Максвелла. Суть этого математического утверждения очень простая. Когда мы рассматриваем объект (освещая его, например, фонариком), мы, на языке математики, решаем обратную задачу: зная то, как мы освещаем тело, и видя то, какой свет попадает к нам в глаза, мы восстанавливаем форму, цвет и прочие «визуальные» свойства объекта. Свет — это электромагнитные волны, и поэтому в более строгой формулировке задача выглядит так: мы направляем в исследуемую область электромагнитные волны, измеряем на ее границе все электрические и магнитные поля и на основании этих данных пытаемся восстановить распределение коэффициента преломления (точнее, распределения электрической и магнитной проницаемостей) внутри этой области. Это и есть задача Кальдерона. Интересно отметить, что эта «высокая математика» уже давно используется в медицине — при диагностике новообразований методом электроимпедансной томографии (Electrical impedance tomography), ЭИТ. Пациенту надевают на тело пояс с электродами и проводят серию опытов: прикладывая переменную разность потенциалов к одной паре электродов, регистрируют напряжения, возникающие на соседних. На основании этих данных вычисляется распределение электропроводности тела (именно здесь математика работает в полную силу), и, после сравнения со «здоровым образцом», выделяются патологические изменения. В качестве примера см. статью J. A. Victorino et al., American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine, 169, 791 (2004), в которой ЭИТ надежно регистрирует аномалии в вентиляции легких. Единственность решения задачи Кальдерона означала бы, что если мы на границе «видим» распределение полей от пустого пространства, то ничего, кроме пустого пространства, внутри быть не может, то есть никакой объект нельзя абсолютно спрятать от наблюдения. Наоборот, если «абсолютный плащ-невидимка» возможен (хотя бы в принципе), то это значит, что две различные ситуации — пустое пространство и тело, «покрытое плащом», — приводят к идентичным наблюдательным данным на границе, что возможно только при неединственности решения задачи Кальдерона. Предыдущие теоретические работы, посвященные возможности полной маскировки объекта (например, статьи U. Leonhardt, Science, 312, 1777 и J. B. Pendry et al., Science, 312, 1780, опубликованные в журнале Science 23 июня 2006 года), трактовали задачу в очень упрощенном виде, в пределе геометрической оптики (когда свет вместо электромагнитных волн моделируется пучком бесконечно тонких лучей света). Это оставляло наблюдателю «лазейку» — возможность обнаружить присутствие тела через волновые свойства света, например с помощью дифракции. Статья math.AP/0611185 закрывает эту возможность. В ней доказывается, что задача Кальдерона допускает более чем одно решение и что для любого тела можно подобрать маскирующую оболочку, которая будет «обводить» лучи света вокруг тела. В результате электромагнитное поле снаружи будет просто идентично ситуации, как если бы вообще не было никакого тела. С какой бы стороны мы ни освещали область, какой бы диапазон длин волн ни использовали и как бы близко мы ни подходили к границе оболочки — мы ничего не увидим. Дальше — больше. Проведенный авторами анализ уравнений показал, что «спрятать» можно не только пассивный, но и активный объект, поглощающий и излучающий электромагнитные волны. Иными словами, появляется возможность сделать, при необходимости, невидимым даже работающие электротехнические устройства, например портативную радиостанцию! Правда, оболочка при этом должна обладать еще более экзотическими свойствами, чем при маскировке пассивных объектов. Необходимо, впрочем, подчеркнуть, что математическое доказательство невидимости вовсе не означает возможность ее практической реализации. Да, современные технологии позволяют изготавливать метаматериалы с требуемыми характеристиками в микроволновом и инфракрасном диапазоне. Однако, например, от просвечивания рентгеновскими лучами тело всё равно не спрятать: никакие известные сейчас материалы не способны искривить путь рентгеновских лучей нужным образом. Тем не менее для современной ситуации даже приблизительная невидимость в радио- и оптическом диапазоне может кардинальным образом изменить многие отрасли человеческой деятельности. И первыми в этом списке наверняка станут военные технологии.