Наука Гарри Поттера. Завораживающие знания, лежащие в основе магии, гаджетов, зелий и многого другого - Джон Чейз

camouflage, которая использует так называемую технологию светоотражающей проекции (Retro-reflective Projection Technology). Камера фиксирует фон, на котором находится объект, а затем оптический проектор размещает это изображение перед объектом в режиме реального времени. Объект при этом покрыт специальным светоотражающим материалом, действующим как экран для проекции.

В 2012 году в одном из выпусков британского телешоу Top Gear, посвященного автомобилям, смастерили подобную систему для Ford Transit. Инженеры окружили автомобиль телевизорами с плоским экраном, которые были обращены вперед, назад, налево и направо, и транслировали на них в реальном времени изображения с видеокамер, расположенных на противоположной стороне машине. Mercedes-Benz использовал аналогичный подход в рекламе F-CELL, электромобиля на новых топливных водородных элементах. Только вместо использования телевизоров в качестве дисплеев они сплошь покрыли автомобиль светодиодами.

В 2015 году в США компания под названием Folium Optics представила технологию, которую можно было бы использовать на боевых машинах. Технология использует массив шестиугольных ячеек, которые могут менять цвет в соответствии с окружением. Ячейки также являются светоотражающими, поэтому система не требует большого энергопотребления за счет естественного соответствия яркости окружающему освещению.

Несмотря на все усилия, недостатком маскировки остается то, что если скрытый объект движется или просматривается под разными углами, то сразу же теряет свои уникальные свойства. По-настоящему невидимый объект, например, спрятанный под мантией, не будет иметь такой проблемы. Так как же нечто может стать невидимым на самом деле?

Глаз задает границы

Невидимость, как и красота, – в глазах смотрящего, а именно человеческих существ, воспринимающих мир через свет видимой части спектра. Инструмент этого восприятия – глаза – впервые появился под водой, там, куда могут проникать только определенные частоты электромагнитного излучения. Соответственно, и наши глаза оказались наиболее чувствительными к этим проникающим в воду частотам, то есть к видимому спектру.

Микроволновое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения поглощаются молекулами воды, не проникая глубоко под ее поверхность, так что протоглазам не нужно было развивать чувствительность к этим длинам волн. Хотя некоторые насекомые, такие как пчелы, могут воспринимать часть диапазона ультрафиолетового света. Причина, по которой мы вообще видим мир, заключается в том, что наши глаза могут поглощать световые волны, исходящие от объектов. Этот процесс осуществляется особыми клетками, называемыми палочками и колбочками, которые являются частью сетчатки. В нашем глазе около 92 миллионов палочек и 4,5 миллионов колбочек. Палочки чувствительны к слабому освещению, в то время как колбочки реагируют на частоты видимого света, связанные с цветами.

Все, что не излучает свет в цветах радуги, фактически невидимо для нас, однако некоторые животные, такие как змеи, способны улавливать инфракрасное излучение. Гремучие змеи и отдельные виды удавов делают это с помощью специальных термолокаторных органов, например, расположенных в ямках на морде и позволяющих им улавливать инфракрасный свет на расстоянии до одного метра. Именно благодаря этой способности змея Волан-де-Морта, Нагайна, могла видеть Гарри и Гермиону под мантией-невидимкой. А значит, она гарантирует невидимость лишь для определенных частот спектра, возможно, только для видимого света. Можно ли сделать видимый объект невидимым для человеческого глаза?

Фокус-покус!

Чтобы нечто было действительно невидимым для невооруженного глаза, оно должно пропускать свет насквозь, то есть атомы такого вещества не должны оказывать заметного влияния на световые волны при их прохождении. Именно за счет этого вода, стекло, пластик или воздух кажутся прозрачными, однако мы все еще можем их видеть. Как это возможно?

Помимо грязи или пятен на поверхности прозрачных материалов мы можем видеть их из-за трансформаций света по мере прохождения. Например, при переходе от одного прозрачного вещества к другому (от воздуха к стеклу или от стекла к воде) любой свет, который не был отражен или поглощен, может менять направление в зависимости от угла, под которым он приближается к границе раздела двух веществ. Это особое изгибание света называется преломлением.

Так происходит, когда вещества имеют разный коэффициент преломления, который показывает, насколько сильно могут потенциально изменяться скорость и направление света при его прохождении через прозрачные материалы. Когда свет проходит через окно, его прямолинейный путь нарушается, и именно за счет этого стекло обретает видимость.

Однако некоторые материалы имеют примерно одинаковый показатель преломления, например, растительное масло и термостойкое стекло. В таком случае свет не преломляется, когда переходит границу между ними, и создается впечатление, что свет прошел прямо через масло и стекло без помех. Это основа научного «волшебного» трюка, который заставляет подобное стекло исчезать, когда его помещают в контейнер, наполненный растительным маслом. По сути, масло тут работает как мантия-невидимка.

Этот трюк возможен только потому, что стекло уже прозрачное изначально, но для того, чтобы сделать невидимым непрозрачный или тонированный объект, потребуется другая техника.

Метаматериалы

Ученые изучали технологии, которые могут направлять свет вокруг объектов, вместо того чтобы пытаться каким-то образом сделать прозрачными для света их самих. В 2006 году физик Джон Пендри выдвинул идею, которая впоследствии получила название «плащ-невидимка». Лежащая в основе технология манипулирует светом, используя метаматериалы.

Метаматериалы – это специально разработанные материалы, которые обладают свойствами, превосходящими встречающиеся в природе. Например, они могут иметь показатель преломления меньше единицы, чего пока не обнаружено в наблюдаемой Вселенной. Первые метаматериалы функционировали только для длинноволнового излучения, такого как микро– и радиоволны, но исследователи работают над расширением этого диапазона. Для оценки – микроволны имеют длину волны от 30 сантиметров до 1 миллиметра, тогда как длина волны видимого света составляет от 400 до 800 нанометров. Нанометр в миллион раз меньше миллиметра.

В 2012 году исследователи из Техасского университета в Остине успешно скрыли 46-сантиметровую цилиндрическую трубку от определенных длин волн микроволнового излучения. Их маскировка работает, подавляя отражаение света объектом в нужных направлениях. Если свет заметно не рассеивается, мы не можем обнаружить влияние объекта, что эффективно делает его невидимым для этих длин волн.

В следующем году те же исследователи использовали ультратонкие метаэкраны для создания того, что они назвали мантией, поскольку их преимущество заключается в том, что они чрезвычайно тонкие (толщиной менее 1 миллиметра) и гибкие. Соавтор исследования Андреа Алу описал это так: «Когда поля рассеивания от мантии и объекта интерферируют, то нейтрализуют друг друга, и общим эффектом является прозрачность и невидимость под любым углом наблюдения». Но можно ли этот принцип использовать для маскировки объектов в видимом спектре?

Чтобы сделать объекты невидимыми для наших глаз, нам пришлось бы уменьшить размер скрываемого объекта, поскольку он должен быть меньше или сопоставим по размеру с длиной волны света, от которой мы хотим замаскироваться. Если объект намного больше, фокус не сработает. То есть вместо цилиндра длиной 46 сантиметров мы могли бы оперировать объектом длиной всего около 1 микрометра, что в тысячу раз меньше миллиметра.

На самом деле, это фундаментальное ограничение,