Окружающий нас мир полон опасностей, и порой наилучший способ избежать их – спрятаться, скрыться из виду. Легенда о шапке-невидимке присутствует, пожалуй, в мифологии всех народов, а умение избегать чужих взглядов не раз выручает сказочных героев или богов. Но возможно ли такое в реальности? И что может предложить для этого современная наука?
Прозрачность или камуфляж?
Для начала следует понять, как же мы вообще видим. Глаз – это очень сложный оптический инструмент, который способен воспринимать электромагнитные волны определенного диапазона и превращать их в сигналы для головного мозга. Чувствительность его огромна, и тем не менее, все, что мы видим – это только свет. Отражаясь от различных объектов и преломляясь в воздухе, воде и других средах, лучи частично поглощаются или рассеиваются, теряют некоторые составляющие спектра. В конце концов, то, что от них осталось, воспринимается глазом, а потом преобразуется в зрительном центре мозга в соответствующий образ. Например, когда солнечный луч попадает на листья дерева, большая часть его спектра поглощается, а зеленая составляющая отражается – и они становятся нам видны и воспринимаются как зеленые. При этом, чем больше энергии поглотит объект, тем темнее он покажется, а чем больше будет отражено, тем он будет выглядеть светлее. В любом случае мы, так или иначе, этот объект увидим. А вот если лучи свободно пройдут через предмет, не отразившись от него и не поглотившись им, ни нашему глазу, ни самой чувствительной видеокамере не достанется ни милливатта энергии, чтобы что-то заметить. Таким образом, если нам надо что-то спрятать, следует или сделать это прозрачным, или обмануть наблюдателя, показав ему фальшивую картинку.
Прозрачность как вполне научный способ стать невидимым описал в своей фантастической повести «Человек-невидимка» Герберт Уэллс. Действительно, если свет начнет свободно проходить через объект, не отражаясь от него, то ни человеческому глазу, ни видеокамере просто нечего будет воспринять, и, соответственно, этот объект останется незамеченным. Герой Уэллса создал препарат, делающий все клетки живого организма прозрачными, принял его и стал действительно невидимым. Такой, на первый взгляд, фантастический эксперимент и в самом деле показался многообещающим некоторым ученым. Еще в августе 2000 года исследовательская группа из Техасского Университета в Остине сумела создать препарат со сходными качествами. Правда, отлично помня о незавидной участи литературного героя, они по традиции начали с опытов над животными – в частности, хомячками. И эксперимент удался! Укол специального состава на основе глицерина сделал небольшой кусочек кожи совершенно прозрачным! Глицерин на время замещал воду в клетках, меняя их коэффициент преломления.
Но хотя ученые и добились впечатляющих результатов, создав подобные составы и для тканей желудочно-кишечного тракта, и даже для стенок крупных кровеносных сосудов, добиться полной невидимости таким путем, увы, не выйдет. Во-первых, максимальная продолжительность эффекта прозрачности так и не превзошла 20 минут (по крайней мере, без угрозы здоровью подопечных); во-вторых, в реальности, в отличие от литературы, сделать бесцветными кости и кровь оказалось невозможно. Зато изобретением техасских ученых весьма заинтересовались медики – ведь такой состав способен значительно облегчить работу при сложных хирургических операциях.
Но то, что не годится для живого организма, вполне можно опробовать на технике. Задолго до остинского эксперимента инженеры попытались спрятать подобным образом целый самолет! В Советском Союзе еще в 30-х годах прошлого века такую попытку предприняла научная группа Военно-воздушной инженерной академии имени Н.Е. Жуковского под руководством профессора Сергея Григорьевича Козлова. Конструкторы взяли авиетку АИР-3 и заменили ее обшивку на прозрачный материал родоид (одну из первых марок оргстекла французского производства). Правда, авиаконструкторам пришлось столкнуться с некоторыми трудностями: в самолете все-таки имеется немало деталей, которые сделать прозрачными невозможно. Так что о полной невидимости на малой дистанции вопрос даже не поднимался. Вместо этого инженеры решили просто как можно лучше замаскировать их. Двигатель, шасси, тяги рулей и даже сиденье пилота начали покрывать зеркальной амальгамой или красить смешанной с алюминиевым порошком белой краской. Сверху все это было тщательно залакировано и отполировано. Эффект оказался поразительным – самолет, хотя и вполне себе заметный вблизи, набрав скорость, быстро пропадал из виду. Те лучи, которые умудрялись пройти через прозрачную обшивку или отразиться от зеркальных частей, просто рассеивались в атмосфере, не достигая глаз наблюдателей. Даже на кинопленке четкого изображения не получалось. А на больших дистанциях аппарат и вовсе «исчезал». Но вскоре эксперимент пришлось свернуть. Несмотря на фантастический эффект невидимости, самолет оказался бесполезным. При весьма немалой стоимости производства (в первую очередь из-за использования импортного материала), его лакированная обшивка очень быстро приходила в негодность, становилась матовой и непрозрачной, отчего утрачивала свои качества. Кроме того, родоид, как и все остальные сорта оргстекла того времени, был крайне непрочным материалом, неспособным выдерживать значительные нагрузки, сильные потоки набегающего воздуха и перепады влажности и температуры. А значит, для скоростных и маневренных машин, которые требовались стране, он не годился. Неуклюжие же авиетки со скоростью менее 200 км/ч, пусть даже и невидимые, уже в 1930-е годы были совершенно бесперспективными. Так что больше «самолет-невидимка» в воздух не поднимался, и даже документация по нему сгинула где-то в архивах.
А вот использование зеркального покрытия для маскировки оказалось довольно интересным решением. Что неудивительно – именно этот принцип используют многие рыбы для того, чтобы скрыться от глаз хищников. Причем, если придонные виды маскируются, в основном, так же, как и обитатели суши, то вот тем из них, что обитают в толще воды, приходится гораздо сложнее – ведь охотники могут увидеть их с любой стороны. Именно поэтому чешуя многих рыб имеет зеркальную поверхность. Те же селены способны стать почти невидимыми при любом освещении, просто отражая попадающие на них лучи света и как бы сливаясь с окружающей средой. Мало того, природа наделила их способностью изменять отражающие свойства чешуи в зависимости от освещения. Похожий эффект взяли на вооружение и люди – восточные ниндзя, казаки, да и современные снайперы умеют скрываться буквально на ровном месте за небольшим зеркалом. Сейчас многие производители охотничьего снаряжения предлагают легкие пластиковые конструкции, позволяющие почти в упор подобраться даже к самой зоркой дичи. Если наклонить такой щит от себя, потенциальная жертва будет видеть только отражение травы перед ним – главное, чтобы лучи не отразились прямо ей в глаза.
Конечно, такая конструкция все же довольно громоздка – гораздо лучше было бы создать по такому же принципу накидку, которую можно нести прямо на себе. Однако, к сожалению, плащ-невидимку из зеркальной ткани сделать не получится – рано или поздно блик выдаст спрятавшегося охотника. Зато эту технологию давно и успешно используют фокусники и иллюзионисты. В условиях подготовленной сцены вполне возможно расположить зеркала так, чтобы с помощью сложной системы отражений заставить предмет или его часть «исчезнуть».
Так что осталось надеяться только на давно известный человеку способ, которым природа пользуется с незапамятных времен. Чтобы скрыться от зоркого взгляда хищников, и рыбы, и насекомые, и животные за тысячелетия эволюции обзавелись камуфлирующей окраской, настолько сливающейся с окружающей средой, что они становятся практически невидимыми. Подражая им, охотники древности натягивали шкуры, а современные – надевают специальные комбинезоны, чтобы стать незаметными.
Но животному (как и преследующему его охотнику) все-таки гораздо проще – они действуют в одной и той же обстановке, сохраняющей привычные цвета и даже орнаменты. Однако стоит окружению поменяться – и такая раскраска, наоборот, начинает привлекать внимание. Так, невидимый в сугробе заяц-беляк моментально обнаруживает себя на проталине, а сливающийся с кустами охотник в маскировочном халате будет нелепым пятном выделяться на фоне однообразно покрашенных стен домов.
Значит, для достижения полной невидимости – или хотя бы незаметности – надо сделать такой камуфляж, который сам подстраивался бы под окружение, меняя цвет и узор в соответствии с окружающей средой. Тем более, и здесь природа показывает хороший пример – те же хамелеоны и осьминоги великолепно справляются с такой задачей.
Фронтальная проекция
Если сам предмет сделать прозрачным невозможно, то почему бы не обмануть зрение и приборы и не показать им не сам предмет, а то, что находится за ним? Именно этот принцип использовался в киноиндустрии 1960-х годов для создания спецэффектов. Самым известным из таких экспериментов стал фильм Стэнли Кубрика «2001: Космическая Одиссея». Для своего времени реалистичность его была просто фантастической – Кубрика даже обвиняли в так называемом «лунном заговоре», будто бы он снимал в Неваде сцены высадки на Луну американских астронавтов проекта «Аполлон», имитируя так и не случившийся полет. И в доказательство приводили именно «Космическую Одиссею» – спецэффектов, которые удалось создать для этого фильма, вполне хватило бы для того, чтобы создать видимость внеземного пейзажа.
В своей революционной для того времени картине Стэнли Кубрик использовал так называемую технику фронтальной проекции Уилла Дженкинса. Этот американский писатель (больше известный русскоязычному читателю под псевдонимом Мюррей Лейнстер) в немногое остававшееся от сочинения фантастических романов время весьма активно занимался исследованиями в области оптики и даже запатентовал несколько своих изобретений. В то время до компьютерных технологий было еще далеко, и фильмы 50–60-х годов ХХ века не баловали зрителя реалистичностью сцен. Верхом технологий киноиндустрии была «оптическая печать» – когда актеры играли на фоне экрана, позади которого работал проектор, создавая иллюзию, к примеру, движущегося пейзажа за окнами поезда или за бортом корабля. А это искажало освещение, давало неправильные тени, бросавшиеся в глаза, портящие картинку и сильно ограничивающие операторскую работу. Дженкинс же предложил устанавливать проектор в ту же точку, что и камера, а изображение передавать на светоотражающий экран с помощью пары зеркал, вынуждая лучи света огибать актеров и инвентарь на сцене. Экран же возвращал проекцию фона на камеру, которая, таким образом, комбинировала реальное и проецируемое изображения. В итоге получалось, что тени героев падали в правильных относительно источника света направлениях.
Именно эта технология вдохновила профессора Токийского университета Сузуму Тачи. Он просто рассмотрел работу элементов системы «фронтальной проекции» с другой точки зрения. Ведь что, по сути, делают зеркала? Они вынуждают свет проектора огибать актеров, маскируя их от луча. Так почему бы не использовать такой способ в «мобильном» варианте. Разработанный им проект X’tal Vision включает в себя, в том числе, и довольно оригинальный «плащ-невидимку». По своему принципу его работа очень напоминает изобретение Дженкинса – на голову испытателя одевается специальная система из нескольких видеокамер, снимающих обстановку вокруг него на 360 градусов. А совмещенные с ними проекторы передают изображение на плащ из специальной ткани. Таким образом, наблюдатель (вне зависимости от того, человеческий это глаз или чувствительная видеокамера) видит не укрытого плащом наблюдателя, а изображение того, что находится за ним, спроецированное прибором. Причем скрытый объект можно обходить, он может поворачиваться или двигаться – и все равно остается «прозрачным». Выглядит это действительно фантастически! Правда, до абсолютной невидимости все еще далеко: человеческий глаз довольно чувствителен к различию в яркости, а сделать изображение на ткани с необходимой точностью пока еще невозможно. И все же прогресс налицо.
Но оптический камуфляж является только частью проекта X’tal Vision. Токийский университет ставит во главу угла не невидимость, а «дополнительную реальность» – все эти проекционные системы должны в первую очередь служить для демонстрации справочных данных или рекламы, а также использоваться для украшения различных объектов. Но если этой части проекта уделят больше внимания, плащ-невидимка может появиться уже в самое ближайшее время. Тем более что на стороне оптического камуфляжа Сузуму Тачи такие неоспоримые достоинства, как относительная простота изготовления и эксплуатации и довольно низкая стоимость. К сожалению, изобретение профессора не лишено недостатков. Массивный шлем с проекторами и камерами не особенно удобен, а контраст в яркости и цветопередаче пока что позволяет волшебному плащику спрятать объект разве что в тумане или в сумерках под дождем. Но эксперименты продолжаются, и результаты уже сегодня выглядят весьма многообещающе.
Суперлинзы
Еще один, весьма перспективный метод достижения невидимости предлагают разработчики так называемых «метаматериалов». Теоретическую основу под них заложил советский физик Виктор Георгиевич Веселаго, доказавший возможность существования вещества с отрицательным коэффициентом преломления (автор назвал это «левым» материалом, так как векторы его электромагнитного поля должны быть направлены влево). Оптические приборы с линзами, выточенными из такого материала совершенно иначе обходились бы с электромагнитными волнами, чем это делают обычные. Все их чудесные свойства достойны многотомных научных трудов. А одно из них весьма интересно именно в контексте получения эффекта невидимости.
После того как из области теории, наконец-то, удалось перейти к практическим опытам, оказалось, что секрет заключался не в составе, а в геометрическом расположении частиц самого вещества. Существующие сегодня экземпляры представляют собой настоящий слоеный пирог из особой формы и особенным образом ориентированных относительно друг друга разрезанных колец и П-образных пластин. Причем размеры их должны быть меньше длины электромагнитных волн – то есть для видимого света менее 380–400 нанометров. И вот ученый из Великобритании Джон Пендри, автор одного из первых удачных метаматериалов, сумел доказать, что простая пластинка из «левого» материала может служить суперлинзой, а двояковыпуклая линза из него будет не фокусировать, а рассеивать волны. И вот в 2006 году в журнале Science Пендри в соавторстве со Смитом и Шуригом описывал «плащ-невидимку» в виде сферической суперлинзы из «левого» материала. Их идея проста: благодаря особым оптическим свойствам метаматериала свет, попадающий на линзу с одной стороны, обогнет спрятанный за ней объект и выйдет с другой стороны плаща-линзы, почти не рассеявшись и полностью сохранив свою частоту (а значит и цвет) и направление!
Правда, на практике все оказалось далеко не так хорошо. И хотя Пендри даже получил за свои заслуги рыцарское звание, метаматериалы до сих пор остаются всего лишь многообещающей разработкой, не имеющей практического применения в области невидимости. Дело в том, что добиться стопроцентной эффективности «суперлинзы» удается только в очень ограниченном спектре электромагнитных волн. Так, создать экран, делающий объект невидимым в инфракрасном спектре или в радиодиапазоне, вполне возможно, а вот в двух диапазонах одновременно – нет. Даже просто перекрыть всю видимую человеческому глазу область спектра пока не удалось. Но уж очень заманчива перспектива их использования. Во-первых, это действительно значимый прорыв в оптике и возможность создавать принципиально новые приборы. Во-вторых, если уж на основе «левых» материалов получится плащ-невидимка, то, в отличие от остальных приборов он будет работать сам по себе, просто за счет особых свойств материала, совершенно не требуя энергии. Ну, а получение самого материала для современных технологий уже не проблема. Еще в 2012 году исследователи из Штутгардского университета предложили технологию создания многослойного метаматериала, эксперименты не прекращаются, и уже в этом году нам обещают сенсационные новинки.
«Боевые невидимки»
Но пока чудесные материалы находятся на стадии исследования, человечество (а в особенности армия) все еще надеется на настоящую невидимость в самое ближайшее время. Теоретическую основу заложил доклад некоего Ричарда Шоуэнгердта на симпозиуме по электронным методам боевых действий в 1993 году в Сан-Антонио. Его 19-страничное исследование «Проект Хамелеон – маскировка с использованием электрооптического камуфляжа» заложил основные направления развития «боевой» невидимости, остающиеся неизменными до сих пор. За основу взят все тот же принцип, что и у Сузуму Тачи – закрыть маскируемый объект щитом-экраном и спроецировать на него изображение предметов, расположенных за ним. Правда, описано все гораздо более расплывчато, чем у японца: Шоуэнгердт всего лишь заявил, что для этого потребуются датчик, процессор, экран и системы крепления – и только. Но это не помешало изобретателю через год получить патент, а в 2001-м продлить его. Поначалу проект хоть и вызвал интерес, но финансирования не получил. Не улучшилась ситуация и к 2003 году, когда ученый Уилл Маккарти в статье «Быть невидимым» провел расчеты необходимых мощностей для такой системы маскировки. Его выкладки требовали буквально колоссальных для того времени ресурсов.
По мнению Маккарти, камуфлирующий экран мог быть выполнен из множества миниатюрных полусферических линз – гиперпикселей. При детализации 290 точек на см2 – минимальной детализации человеческого зрения на дистанции в 2 м – для того чтобы скрыть 4 м2, потребовалось бы 375 млрд. таких точек. А это 286 тыс. самых современных на то время компьютерных мониторов. Сам процессор тоже должен был обладать немалой мощностью, ведь ему пришлось бы рассчитывать передачу изображения в реальном времени, а также учитывать различные углы наклона панелей. Для такого по расчетам требовалась сотня компьютеров. Да еще и источник питания минимум на 10,5 кВт.
Но если в 2003-м это казалось неразрешимой проблемой, то с развитием компьютерной техники все кардинально изменилось. Разрешение в 1280х1024 точек тогда было фантастическим для мониторов, а сейчас даже некоторые телефоны могут похвастаться большим; нынешние процессоры на порядок мощнее тогдашних, а литий-ионные батареи способны выдать необходимую энергию при вполне умеренном весе.
И вот в 2011 году компания BAE Systems анонсировала новый комплекс Adaptiv, пока еще только для инфракрасного диапазона. Тысяча 6-угольных панелей по 14 см в ширину, сделанные из элементов Пельтье, способных очень быстро нагреваться или охлаждаться под воздействием электрического тока, окружают технику или строение. Каждая пластина имеет еще и инфракрасную камеру, соединенную через управляющий компьютер со своей сестрой-близнецом на противоположной стороне. Вполне просто, надежно и относительно недорого. А эффект просто потрясающий – при включении системы замаскированный автомобиль за считанные секунды пропадает на экранах тепловизоров и инфракрасных прицелов. Причем питается все это от генератора самого автомобиля. Мало того, с помощью специальных программ можно не только спрятать объект, но и изменить его внешний вид – сделать так, чтобы, допустим, танк выглядел на экранах приборов точно так же, как, скажем, обычная легковушка.
И пускай пока эта система действует только для теплового диапазона, полностью работоспособные модели уже есть. Ну, а заменить элементы Пельтье на такие же панели из светодиодов или даже цветных «электронных чернил», использующихся в современных электронных книгах, не составит труда. Лаборатория реактивного движения аэрокосмического агентства США уже даже приводит в своих докладах выкладки, что скрыть объект размерами 10х3х5 м можно при помощи оборудования весом 45 кг – а значит, уже есть и само оборудование.
Так что вполне вероятно, что сказка о плаще-невидимке в самом ближайшем будущем станет былью.
