Существует ли связь между маленькими медными колечками, диагностикой рака, суперлинзами, нанотехнологиями и шапкой-невидимкой?
И возможна ли невидимость в принципе?
История о шапке-невидимке имеет мало общего со сказкой. Правда, в ней есть свои рыцари и алхимики. Есть суперлинзы, которые могут видеть то, что обычно видеть нельзя. Есть «неправильные» волны, которые существуют в природе, и загадочные материалы, которых в природе вовсе нет…
В общем, история эта, хоть и не сказочная, оказалась на удивление замысловатой. Она тянулась долгих 40 лет. И вряд ли даже ее участники предвидели, чем в итоге обернутся их поиски и мечтания…
А начнем мы с материала, из которого можно «сшить» шапку-невидимку.
Электроны и «неправильные» волны
В далеких 1960-х в Физическом институте им. Лебедева трудился советский физик Виктор Георгиевич Веселаго.
Вообще-то ни о какой невидимости ученый даже не помышлял. А занимался разнообразными сложными веществами, в частности – полупроводниками, которые одновременно являются магнитами.
Среди прочего интересовали Веселаго и оптические свойства различных веществ. И вот в ходе своих исследований он пришел к неожиданному по тем временам выводу. Оказалось, что существование материалов с отрицательным коэффициентом преломления не противоречит ни одному известному закону физики.
Как известно из школьного курса, окружающий мир мы видим благодаря тому, что глаз человека позволяет воспринимать отраженный тем или иным объектом свет (электромагнитные волны). При этом «картинка» напрямую зависит от свойств вещества, из которого этот объект состоит.
Электромагнитная волна (в том числе видимый свет), проходя через атомы вещества, приводит в движение электроны. Со временем это движение затухает, а электроны излучают полученную энергию в виде новой электромагнитной волны, которая представляет собой отклик вещества на внешнее поле. Обе волны складываются – так получается истинное электромагнитное поле внутри вещества. Это поле также представляет собой волну, но она несколько отличается от исходной. Чтобы описать это различие, физики используют так называемый показатель преломления. Он определяет структуру волнового поля в веществе и является одной из важнейших оптических характеристик вещества, определяющих распространение в нем электромагнитных волн.
Сам Веселаго называл материалы с отрицательным показателем преломления «левыми» (в отличие от обычных, «правых», сред). Название это прижилось и широко используется по сей день.
«Левые» материалы имеют очень интересные «отношения» со светом. По расчетам советского ученого выходило, что двояковыпуклая линза, изготовленная из материала с отрицательным показателем преломления, должна рассеивать свет вместо того, чтобы фокусировать его в точку. А простая пластинка из такого материала должна обладать свойствами, отчасти сходными со свойствами линзы. Карандаш, частично погруженный в жидкость с отрицательным преломлением, будет казаться изогнутым наружу.
И еще (и это особенно важно для нашего рассказа) световая волна, проходя через «левую» среду, приобретает весьма необычные свойства – если бы мы увидели ее невооруженным глазом, нам бы казалось, что она… движется вспять! Именно отсюда, похоже, появилось название «неправильная» волна. Не строго научное, зато простое и понятное.
Впрочем, сам Веселаго свои выводы делал исключительно на бумаге, так как обнаружить «левые» материалы в природе ему не удалось. Синтезировать же их при тогдашнем уровне техники оказалось невозможным, а потому расчеты советского физика забросили в стол на… 30 лет. Да и сам Веселаго очень скоро занялся совсем другими исследованиями.
Тем не менее, именно «неправильные» волны и «левые» материалы оказались той тканью, из которой кудесникам-ученым удалось-таки сшить шапку-невидимку.
Состав? Нет – структура!
Попытку создать то, чего не создала природа, повторили в США. В 2000 году экспериментальная группа из Калифорнийского университета под руководством Дэвида Смита получила первый «левый» материал.
Решив не возиться со сложными химическими формулами, Смит сосредоточился на… геометрии. И получил поразительные результаты. И понадобилось-то всего ничего – изолирующая основа и множество медных стержней и колечек, разомкнутых в виде буквы С. Такую идейку подкинул своему американскому коллеге Джон Пендри из Имперского колледжа в Лондоне.
По сути, каждая пара «колечко–стержень» воспроизводит в несколько увеличенном масштабе процессы, которые происходят в атоме под воздействием электромагнитного поля. В результате новый материал приобрел свойства, радикально отличающиеся от свойств его составных частей.
Причем варьируя размеры отдельных элементов, можно существенно изменять свойства нового материала. Что, конечно, проблематично провернуть с атомами.
Первый «левый» материал, например, вел себя как «левый» в отношении радиоволн и как «правый» в отношении рентгеновских лучей и света. Так что в 2000 году непосредственно о невидимости речь пока не шла. Но важный шаг был сделан – существование «левых» материалов доказали экспериментально.
В 2005 году Д. Смит (США), И. Иконому (Греция), И. Озбей (Турция), К. Соукоулис (Греция) и Д. Пендри (Великобритания), работы которых положили начало новому направлению физики, были удостоены Премии Декарта и разделили денежный приз 1,1 млн. евро.
Благодаря особой технологии получения, материал Пендри относится к так называемым метаматериалам – искусственным материалам, свойства которых определяются не столько химическим составом, сколько геометрической структурой. К метаматериалам также относятся фотонные кристаллы и некоторые другие изделия из сферы нанотехнологий.
Все метаматериалы обладают полезными свойствами только в некоторой весьма ограниченной области. Это существенно сужает область их применения и заставляет постоянно искать новые решения, пригодные для использования в других областях.
Суперлинзы и невидимость Пендри
Итак, материалы, которые выглядят достаточно экзотично, чтобы послужить основой для шапки-невидимки (или плаща-невидимки, как его называют в англоязычной литературе), были найдены. Однако требовалось еще найти для них подходящую форму, иначе невидимость осталась бы недостижимой мечтой. Помогла еще одна замечательная находка, связанная с «левыми» метаматериалами.
Дело в том, что область применения обычных линз ограничена дифракционным пределом – в обычную линзу нельзя различить детали изображения меньшие, чем длина волны видимого света. По этой причине обычный оптический микроскоп, с которым большинство знакомо еще с детства, не может показать нам отдельные атомы или молекулы. Чтобы «увидеть» такие малые объекты, физики придумали множество ухищрений – электронные и атомно-силовые микроскопы, рентгеновские и нейтронные дифрактометры и т.п. Все эти установки чрезвычайно дороги и требуют исключительно тонкой настройки. Поэтому идея о суперлинзе, для которой дифракционное размывание отсутствует, была чертовски привлекательной. Вот только загвоздка – таких линз просто не было!
Но в том же 2000 году Д. Пендри показал, что простая пластинка из «левого» материала может служить суперлинзой, и исследователи по всему миру взялись за работу. Правда, идея Пендри была реализована далеко не сразу. Оказалось, что суперлинзы очень чувствительны к свойствам метаматериала, из которого они сделаны. Однако эти временные затруднения не помешали королеве Великобритании произвести ученого-теоретика Пендри в рыцари за его немалые заслуги в той части физики, которую он сам помог создать. Это знаковое для ученого событие произошло в 2004 году, а всего лишь через год две независимые группы исследователей уже рапортовали об успешном преодолении дифракционного предела.
Но сэр Пендри и не думал останавливаться на достигнутом. В начале 2006 года в журнале «Science» он в соавторстве с уже упомянутым Смитом и его коллегой Шуригом описал… конструкцию «плаща-невидимки»! Необычная «одежка» представлялась им сферической суперлинзой из «левого» материала.
Любой объект, помещенный внутрь «плаща», должен был, по теории исследователей, стать невидимым! Свет, испускаемый им, не сможет выйти за пределы сферы. А луч, направленный на объект извне, обогнет внутреннюю часть сферы, пройдет через оболочку из метаматериала и выйдет наружу. Но самое главное – конфигурация вышедших из сферы лучей практически не изменится, как будто на их пути вообще не было никакого препятствия!
Поэтому сфера из метаматериала, спроектированного для микроволн, будет почти невидима на экране радара. А предназначенная для оптических лучей – обманет глаз человека, даже если он будет смотреть прямо на нее! Наблюдатель просто увидит все то, что находится позади объекта, в почти неискаженном виде! Кроме того, сфера не будет отбрасывать тени. Настоящая невидимость!
Для сравнения скажем, что технологии типа «стелс» либо поглощают все падающие на «засекреченный» объект электромагнитные волны, либо рассеивают их таким образом, чтобы сбивать с толку радары. Если бы такие технологии удалось применить для видимого света, то в первом случае на месте скрытого объекта оказалось бы черное пятно, во втором – мешанина из цветных пятен и полос. Согласитесь, не вполне то, что нужно.
«Настоящая» невидимость, естественно, очень привлекательна для людей в погонах, и совсем не удивительно, что работы сэра Пендри и Смита получили хорошее финансирование. Впрочем, для данной технологии, безусловно, можно найти и «мирное» применение. Например, это эффективная защита для чувствительных приборов. Или не создающие помех направляющие линии, которые смогут обводить сигналы сотовой связи вокруг препятствий. Или можно накрыть невидимым куполом здание, которое портит вид из окна! Было даже высказано предложение приспособить технологию невидимости для обычных акустических волн – чтобы с его помощью буквально прятать здания от землетрясений!
Математика принимает вызов
Однако при всей массе достоинств у «плаща-невидимки» нашелся один очень серьезный недостаток. Человек, окутанный «сферой невидимости», не сможет видеть свет от объектов, находящихся снаружи, т.е. фактически будет слеп! Подобно многим другим вещам, как бы заманчиво ни выглядел сказочный «плащ» снаружи, изнутри все уже не так привлекательно. Так что невидимость, не отрезающая объект от окружающего мира, оставалась задачей №1.
Кроме того, на повестке дня появился фундаментальный вопрос – возможна ли абсолютная невидимость для всех электромагнитных волн сразу? Как ни странно, на этот раз решение пришло из совершенно неожиданной области – из медицины.
Штатовский математик Аллен Гринлиф и его коллеги, Метти Лессес и Гюнтер Ульменн, с 2001 года разрабатывали теорию электроимпедансной томографии (ЭИТ). С помощью закрепленных на теле пациента электродов подводится переменный электрический сигнал и регистрируется отклик, который дают живые ткани. По этому «эху» путем математических преобразований строится карта электрической проводимости разных участков организма. Сравнивая ее с известными данными для здоровых органов, можно с высокой точностью выявить различные патологии, например раковые опухоли.
Разумеется, эти работы не содержали ни слова о невидимости. Однако математические уравнения, использованные в работе Пендри, Шурига и Смита, оказались практически такими же, как и в работах «математиков в белых халатах»! Это позволило Гринлифу и его коллегам провести глубокий теоретический анализ проблемы и предложить ряд ценных идей. Исходя из своего опыта, математики уже хорошо знали, что важнейшую роль для существования невидимости играет поведение электромагнитного поля внутри «плаща», т.е. в непосредственной близости к «скрытому» объекту.
Оказалось, что внутренняя поверхность плаща выглядит… как зеркало! Поэтому закутанный в «плащ» человек будет видеть лишь свое отражение.
Еще более серьезная проблема возникает, если под плащом размещен источник электромагнитных волн – фонарик, сотовый телефон и т.п. Волны от этого источника сконцентрируются у поверхности плаща и, вероятно, разрушат невидимость.
Чтобы решить эту проблему, Гринлиф и его коллеги предложили сделать в плаще подкладку из специально подобранного материала. Математики также доказали, что невидимость в принципе возможна для электромагнитных волн любой частоты (в частности, для света всех цветов, от красного до фиолетового). А это ни много ни мало строгое обоснование принципиальной возможности достичь абсолютной невидимости.
Совсем недавно, в начале сентября 2008-го, появилась статья китайских ученых – «Анти-плащ». Как явствует из названия работы, китайцы предложили создать в дополнение к «плащу-невидимке» еще один плащ, который будет разрушать эффект невидимости в тех местах, где плащи соприкасаются. Это позволит человеку-невидимке избежать изоляции от внешнего мира.
Особый интерес для нас представляет еще одна недавняя теоретическая работа. В июне 2008 года математик Грейм Милтон (США) обнаружил у суперлинз эффект маскирующей зоны. Согласно его исследованиям, объект не нужно помещать внутрь оболочки, которая является суперлинзой. Достаточно разместить его снаружи вблизи поверхности линзы. Расчеты ученого показали, что отраженный от такого объекта свет не достигнет наблюдателя и объект будет невидим.
Такой рецепт невидимости больше похож на «шапку-невидимку», ведь отпадает необходимость целиком заворачивать объект в «левый» материал. Однако маскирующие зоны еще слабо изучены, в частности, неизвестно, можно ли будет спрятать объект значительно больший, чем сама линза.
Невидимость открывается наноключом
Сегодня исследователи уже не сомневаются в том, что невидимость возможна и для человека. Все большее количество ученых подключается к решению возникающих проблем.
Уже найдены «левые» метаматериалы для видимого света. Их получение – сложная задача из области нанотехнологий. Например, один из таких материалов представляет собой систему серебряных нанонитей, выращенных в матрице из пористого оксида алюминия, другой – чередующиеся слои серебра и фторида магния с нанесенным узором из наноотверстий.
Новые технологии позволяют заметно уменьшить поглощение электромагнитных волн и улучшить качество материала. Но производство их в количествах, достаточных для того, чтобы сделать невидимым человека, на сегодняшний день баснословно дорого. А сделать из них плащ, пожалуй, пока и вовсе невозможно: полученные «левые» наноматериалы непрактичны – слишком хрупкие, чтобы из них можно было изготовить предмет сложной формы (а ведь так или иначе такой материал должен окружать скрываемый предмет).
Но технологии непрерывно совершенствуются – то, что мы умеем делать сегодня, еще десять лет назад казалось почти невозможным. Производство новых материалов становится более дешевым.
В 2006 году сэр Пендри дал прогноз: невидимость в области микроволн (на частотах военных радаров) получить гораздо проще, чем для видимого света, и работающий образец можно реализовать приблизительно за 18 месяцев. Кто знает, возможно, исследователь оказался прав и «работающий образец» уже испытывают в военных лабораториях?
