Невидимость: за и против
Николай Николаевич Розанов, доктор физико-математических наук, заведующий теоретическим отделом Государственного оптического института им.С.И.Вавилова (Санкт-Петербург), профессор Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. Область научных интересов — физическая и нелинейная оптика, лазерная физика, физика солитонов. Лауреат премии имД.С.Рождественского РАН (2007).
Н.Н.Розанов
Возможность невидимости давно интересовала человечество, свидетельством чему служат различные легенды, сказки и научная фантастика о призраках, «плаще-невидимке» и «человеке-невидимке». Воплощение подобных идей в наше время — уже не фантастика, прежде всего благодаря прогрессу в технологиях изготовления (лучше сказать — конструирования) материалов с необычными и заранее заданными свойствами — метаматериалов и наноструктур. В прессе и в Интернете уже можно встретить весьма смелые проекты, вплоть до создания невидимого автомобиля. Однако, как пояснял Х.К.Андерсен в «Новом платье короля», не всем проектам в области видимости и невидимости следует доверять. Попробуем разобраться с принципиальными ограничениями и реальным положением дел в этой области. Но сначала следует определиться с терминологией — что можно и что нельзя считать невидимым.
Видимо-невидимо
Для оптического обнаружения объекта необходимо заметить различие в распределении светового излучения в двух случаях — при наличии объекта и в его отсутствие. То же относится и к радиоволнам, принадлежащим, как и световые волны, к электромагнитному излучению. Тем самым идеально неви-
© Розанов Н.Н., 2008
димый объект не должен рассеивать электромагнитное излучение в диапазоне длин волн, регистрируемом наблюдателем на уровне интенсивности, превосходящем уровень шума. При активном обнаружении (например, с помощью радиолокационной станции) имеется специальный источник излучения, который связан с наблюдателем. При пассивном обнаружении источник излучения внешний, не зависящий от наблюдателя. Опять же при идеальной невидимости объект не должен рассеивать излучение в любом направлении.
Невидимость не следует смешивать с невозможностью распознавания объекта при его маскировке. Так, «волка в овечьей шкуре» нельзя, очевидно, назвать невидимым. Удивительные примеры маскировки (мимикрии) в животном мире приводятся в [1]. Распространенные в военном деле дымовые завесы и маскировочные сети также не
относятся к предмету данной статьи.
Иногда к невидимым причисляют объекты, чаще всего самолеты, при создании которых использованы технологии стелс (от англ. stealth — уловка, скрытность). Обычная здесь стратегия — снижение уровня отражения радиосигналов за счет выбора формы объекта, применение радиопоглощающих покрытий и перераспределение остаточного рассеянного излучения в узкие сектора в направлениях, где наблюдатель отсутствует (лучше всего вверх; еще одно специфическое требование связано с необходимостью минимизации инфракрасного излучения струй реактивных двигателей). Один из сравнительно дешевых вариантов — «обволакивание» объекта слоем плазмы, производимой специальным генератором плазмы. Однако и здесь есть ограничения. Прежде всего, просто невозможны покрытия, полностью поглощаю-
щие электромагнитное излучение. Действительно, коэффициент отражения на границе раздела двух сред пропорционален дроби, числитель которой — разность характеристик (показателей преломления и коэффициентов поглощения) в двух граничащих средах, а в знаменателе — их сумма. Поэтому при увеличении поглощения в маскирующем покрытии коэффициент отражения приближается к 100%. Это отвечает нашим повседневным наблюдениям, что ровная поверхность металла (поглощение излучения оптического диапазона в котором весьма велико) — очень хорошее зеркало. Другое ограничение связано с тем, что перераспределение остаточного рассеянного излучения оказывается неэффективным, если обнаружение осуществляется не одним наблюдателем, а их разветвленной сетью.
Здесь мы будем говорить только о макроскопических объектах, состоящих из большого числа атомов или молекул. Даже если допустить существование гипотетических материалов, полностью поглощающих любое падающее на них излучение (что, как уже указывалось, для электромагнитного излучения невозможно, но здесь этот аспект непринципиален), то, тем не менее, объект из такого материала не будет невидимым — можно обнаружить его тень, или провал в распределе-
нии интенсивности излучения по сравнению с имеющимся в отсутствие объекта. Наблюдая форму тени такого объекта при его освещении при различных направлениях излучения, можно даже восстановить форму объекта. Тем самым, для «идеальной невидимости» необходимо, чтобы объект не только не рассеивал, но и не поглощал излучение. Более строго, рассеяние и поглощение излучения в материале объекта должны быть точно такими же, как в окружающей среде. Но для ограниченных расстояний, например в воздухе, рассеяние и поглощение оптического излучения пренебрежимо малы! Есть ли выход из этого тупика?
Парад невидимок
Прежде всего напомним, что невидимость в оптике известна и уже сравнительно давно используется практически. Так, одной из первых важнейших задач, решавшихся в созданном в 1918 г. в Петрограде Государственном оптическом институте, было создание отечественного оптического стекла. Для этого требовалось, в частности, быстрое определение его показателя преломления без сложной традиционной процедуры обработки поверхности образца. Предложенный И.В.Обреи-мовым метод состоял в следую-
щем [2]. Исследуемое стекло измельчалось до крупинок размером около 0.5 мм и помещалось в кювету с плоскими стенками. Если затем налить в кювету какую-либо жидкость, то проходящий через кювету пучок света будет сильно рассеиваться из-за резкой неоднородности показателя преломления среды. Однако рассеяние исчезает, если жидкость обладает ровно тем же показателем преломления, что и стекло. Подобрать такую жидкость можно, смешивая, например, бензол с сероуглеродом. Соответственно, показатель преломления стекла определяется концентрацией смешиваемых жидкостей (когда известны их показатели преломления). Подобная невидимость прозрачности (рис.1,а) также имеет некоторые ограничения. Так, вследствие различия частотной дисперсии (зависимости показателя преломления от частоты или длины волны излучения) стекла и жидкости невидимость нарушается при изменении длины волны, в связи с чем излуче-ние-«измеритель» должно обладать узким спектром. Тот же тип невидимости и у «человека-невидимки» Г.Уэллса. В природе почти невидимы медузы, показатель преломления которых близок к показателю преломления воды (значительную часть их объема заполняет так называемая мезоглея, студенистое вещество, сильно — до 97.5% —
Рис.1. Типы невидимости. Невидимость прозрачности: излучение проходит через объект так же, как через среду в его отсутствие (а); невидимость обтекания: излучение огибает объект по оболочке, не попадая внутрь него (б); активная невидимость: излучение регистрируется датчиками Д, после обработки данных излучатели И генерируют такое излучение, которое совпадает с имеющим место в отсутствие объекта (в).
б
в
а
насыщенное водой). Существенно и то, что в этом варианте требуется совпадение показателя преломления окружающей среды и объекта во всем его объеме, что, очевидно, нелегко реализовать для произвольного маскируемого объекта.
Другой вариант невидимости, которую можно назвать невидимостью обтекания, иллюстрируется сказочным «плащом-невидимкой». Падающее на обо-лочку-«плащ» излучение должно «обтекать» его, восстанавливая после обтекания распределение интенсивности и волнового фронта независимо от свойств скрывающегося под «плащом» объекта (рис.1,б). Последнее означает, что «плащ» должен быть «безразмерным», то есть подходить к объектам с различными оптическими свойствами. В этом варианте исходная проблема заменяется следующими двумя. Во-первых, надо обеспечить невидимость уже не объекта, а «плаща». Во-вторых, необходимо предотвратить проникновение излучения внутрь объекта (в противоположность первому варианту). Технически проблема переносится на конструирование «плаща» с использованием современных метама-териалов, к которым мы обратимся чуть позже.
Вариант «активной невидимости» обсуждался в работе [3]. В нем на окружающей скрываемый объект поверхности с одной стороны располагаются датчики излучения, а с другой — излучатели (рис.1,в). С помощью датчиков определяются характеристики падающего на поверхность излучения. Затем после обработки этой информации вычисляются характеристики полей для генерации излучателями волн, которые дали бы такое же распределение поля вне объекта, которое было бы в отсутствие объекта. Такой подход, по-видимому, мог бы иметь право на существование в случае акустических волн со сравнительно малой скоростью распространения. Однако в оптиче-
ской области и применительно к коротким импульсам зондирующего объект излучения реальность воплощения схемы столь проблематична, что мы не будем обсуждать этот вариант далее.
Еще два варианта невидимости обсуждаются в обзоре [4]. Первый из них основан на использовании оболочки с меньшей диэлектрической проницаемостью, чем у объекта. Тогда можно добиться того, чтобы суммарный дипольный момент — сумма произведений смещения зарядов под действием поля на величину заряда — объекта и оболочки обратился в нуль. Из-за этого мощность рассеиваемого излучения заметно уменьшится, но сохранение мультипольного излучения не позволяет говорить о полной невидимости. Другими недостатками данного варианта служат ограничение размера объекта микроскопическими значениями и необходимость подбора оболочки в зависимости от характеристик скрываемого объекта. Второй вариант требует расположения объекта вблизи поверхности цилиндрической «суперлинзы», изготовленной с применением метамате-риалов с отрицательным показателем преломления (см. ниже). Мы не будем далее обсуждать эти варианты ввиду их ориентированности на конкретный скрываемый объект и, тем не менее, невозможности идеально
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.