Как стать невидимым

Идея шапки-невидимки или волшебного кольца, делающего своего владельца незримым для чужих глаз, уже не первое столетие кочует из сказки в сказку. Однако только сейчас, с появлением так называемых метаматериалов, такие мечты начали сбываться.

Для начала уточним, что такое метаматериалы. Это объекты с отрицательным показателем преломления, предсказанные советским ученым Виктором Веселаго в 60-е годы XX века. И только 10-15 лет назад появились первые экспериментальные подтверждения того, что такие объекты существуют.

Иллюстрация свойств метаматериалов. Слева - обычная жидкость, справа - с отрицательным показателем преломления.

Теперь снова к шапке-невидимке. У нее должны быть два важных свойства. Во-первых, она не должна отражать свет сама и не допускать, чтобы он отражался от объекта под ней. Это в принципе легко – для видимой области спектра достаточно ведра чёрной краски (или его эквивалента – для радиоволн).

Во-вторых, надо как-то избавиться от тени – и это уже гораздо сложнее. Свет должен миновать объект, точно пустое место.

Мы привыкли считать, что свет всегда распространяется от источника по прямой – представим жёсткий негнущийся шест, служащий направляющей для света. Теперь допустим, что этот шест не такой уж негнущийся: он огибает объект, который мы хотим спрятать, и таким образом луч вообще не столкнётся с объектом. Наблюдатель, представляющий луч света прямым, будет обманут. С помощью метаматериалов можно заставить свет «обтекать» объект, как вода обтекает камни на дне ручья, – лучи будут снова сходиться за объектом, не оставляя и следа от его присутствия.

Подобные явления, когда свет распространяется по кривой, обманывая наблюдателя, можно встретить и в природе. В течение дня солнце раскаляет песок в пустыне – и воздух над песком нагревается вместе с ним. У нагретого воздуха меньше плотность и меньше показатель преломления. Чем дальше от земли, тем воздух холоднее и показатель преломления больше – таким образом создаётся градиент с постепенным изменением показателя преломления. В результате солнечный свет может искривиться настолько, что наблюдатель видит на песке нечто, совершенно не напоминающее пустыню: пятачок, в котором «отражается» небо, – он очень напоминает лужу воды или целое озеро. Представьте только разочарование усталого путника, устремившегося к этому иллюзорному оазису!

Итак, создание шапки-невидимки можно свести к разработке некоего покрытия с нужным градиентом показателя преломления, искажающего свет точно так, как надо. Как именно должно быть устроено такое покрытие, должна рассчитать трансформационная оптика.
Разумеется, изготовление настоящей шапки-невидимки – дело нелёгкое, особенно в видимой области спектра, закономерно привлекающей наибольший интерес. Но в области радиоволн учёным и инженерам уже удалось достичь существенных успехов.
Кое-что получилось и с видимым светом – правда, шапки-невидимки пока работают в очень узком диапазоне внутри видимой области спектра.