невидимка | Журнал Популярная Механика
Виктор Георгиевич Веселаго длительное время занимался экспериментальными исследованиями магнитных веществ и сильных магнитных полей. Но в мировом научном сообществе он стал знаменит в одночасье благодаря одной небольшой, чисто теоретической статье по электродинамике, опубликованной в далеком 1967 году. Он предсказал существование материалов, из которых можно сделать шапку-невидимку.
В начале 2001 года дома у Виктора Веселаго, завлабораторией магнитных материалов отдела сильных магнитных полей Института общей физики РАН (ИОФАН) им. А.М. Прохорова, раздался звонок телефона. «Профессор, — сказал по‑английски голос в трубке. — Вас беспокоят из журнала New Scientist. Мы бы хотели получить ваш комментарий по поводу экспериментов американских ученых Смита и Шульца, описанных в только что вышедшем журнале Science. Кажется, им удалось создать материал, который вы теоретически предсказали более тридцати лет назад».
«Правые» и «левые» Что мы увидим, если посмотрим на материал с отрицательным показателем преломления Преломление света — привычное явление, хорошо известное всем, кто хоть раз смотрел на игру солнечных лучей на гладкой поверхности пруда. Но вот эффекты, возникающие в среде с отрицательным показателем преломления («левой» среде), сложно представить — настолько они противоречат общепринятым понятиям о поведении света. Вот некоторые из них.
Упражнение для ума
После окончания школы, где он всерьез увлекся радиотехникой, Веселаго поступил на только что созданный физико-технический факультет МГУ (позднее ставший самостоятельным вузом — МФТИ). Диплом он защитил в ФИАН под руководством А.М. Прохорова (будущего лауреата Нобелевской премии 1964 года по физике), а затем продолжил работу в институте уже как научный сотрудник.
В 1960-х годах он заинтересовался магнитными полупроводниками — материалами, которые проявляют свойства как ферромагнетиков, так и полупроводников (их проводимость меняется при изменении магнитного поля). «Есть такой электровакуумный прибор — лампа бегущей волны, он используется в качестве усилителя СВЧ-сигналов, — объясняет профессор Веселаго. — Усиление здесь происходит за счет взаимодействия электронов с электромагнитной волной. Я подумал, что можно было бы попробовать создать такой прибор в твердотельном варианте, а для этого нужен был материал, сильно замедлявший скорость распространения электромагнитной волны, то есть с очень высоким показателем преломления. Показатель преломления (n) определяется как квадратный корень из произведения диэлектрической проницаемости (ε) и магнитной проницаемости (µ). Идея с магнитным полупроводником не оправдала себя (нужный режим работы подобрать не удалось), но заставила меня внимательно рассмотреть вещества с различными ε и µ, и положительными, и отрицательными. Вещества с обеими положительными величинами — это хорошо известные обычные диэлектрики. С положительным ε и отрицательным µ — ферромагнетики. С отрицательным ε и положительным µ — плазма. А вот веществ с отрицательными ε и µ тогда известно не было. Листок с формулой показателя преломления лежал у меня на столе, я смотрел на него и вдруг подумал: но ведь в таком случае и сам показатель преломления может быть отрицательным. И не только с точки зрения математики!».
Невидимые дома Принцип «невидимости», реализуемый с помощью метаматериалов с отрицательным показателем преломления, применим не только в оптике и радиофизике, но и в акустике. Ученые возлагают большие надежды на создание структур, которые могли бы «маскировать» важные сооружения от сейсмических волн при землетрясениях. Эксперименты группы исследователей из Института Френеля и Университета Экс-Марсель показали, что размещение в грунте нескольких регулярных рядов пустотелых цилиндров преломляет и отражает сейсмические волны.
Против здравого смысла
Такой вывод был крайне необычным, поскольку во всех учебниках подразумевалось, что показатель преломления любой среды — это всегда положительная величина. Своими соображениями, которые показались ему очень важными, Виктор поделился с коллегами. Но ученые, загруженные работой, восприняли его выводы как «разминку для ума», абстракцию, которая не имела никакого физического смысла. И тогда Веселаго написал небольшую статью «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ», где показал, что наличие таких веществ не противоречит никаким законам физики, и описал их необычные свойства. Материалы с отрицательным коэффициентом преломления в статье были названы «левыми», а обычные, с положительным, — «правыми» (по ориентации векторов, характеризующих электромагнитную волну). «На самом деле мне не первому пришла в голову эта идея, — говорит профессор Веселаго. — Об этом рассуждал еще академик С.Л. Мандельштам, но исключительно в математическом плане. Рассматривал их и Д.В. Сивухин, но в свой знаменитый учебник он эти соображения не включил».
Линзы Веселаго Материал с ε=-1, µ=-1 и отрицательным показателем преломления n= -1 можно использовать для создания так называемой линзы Веселаго. Плоская пластинка «левой» среды полностью переносит оптическое поле с одной стороны на другую, создавая точное, без всяких искажений, изображение. У такой линзы, в отличие от обычной, отсутствует оптическая ось. Она не способна сфокусировать параллельный пучок света, зато за счет фокусировки ближнего поля через нее можно рассмотреть детали, меньшие по размеру, чем длина волны света (дифракционный предел).
В журнале «Успехи физических наук» (УФН) статью тоже восприняли как гипотетические рассуждения, но тем не менее опубликовали. «Я представил свой доклад на международной конференции в Москве, — вспоминает Виктор Георгиевич, — и получил приглашение выступить по этой теме на нескольких других конференциях — в Италии, Франции и США. После моих докладов на этих конференциях темой заинтересовались, и я подготовил еще одну статью в сборник. Но высокое начальство ФИАН, узнав об этом, настойчиво порекомендовало мне не заниматься всякой ерундой и не отвлекаться от основной работы в отделе сильных магнитных полей, где мы создавали большую экспериментальную установку «Соленоид». В итоге эта тематика была почти забыта на долгие три десятилетия».
Если осветить предмет, сравнимый по размеру с длиной волны, пучком микроволн, мы увидим его за счет отражения части излучения. Но если окружить предмет «шапкой-невидимкой», изготовленной из метаматериала с отрицательным показателем преломления, пучок будет огибать предмет, и он станет полностью невидим. Такой эксперимент был продемонстрирован исследователями из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
От теории к эксперименту
Статья «Экспериментальное подтверждение отрицательного показателя преломления» Дэвида Смита, Шелдона Шульца и Ричарда Шелби, исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего, вышла в 2001 году в авторитетном журнале Science и произвела в научном сообществе эффект разорвавшейся бомбы. В статье исследователи показали, как, используя проводящие дорожки и незамкнутые катушки-резонаторы для управления электрическими и магнитными свойствами среды, можно сконструировать композиционный материал с отрицательным показателем преломления для длины волны около 3 см. Такие составные материалы, свойства которых определяются не их химическим составом, а структурой, называют метаматериалами. А поскольку экспериментаторы уже во втором абзаце статьи ссылались на ту самую статью 1967 года, это окончательно закрепило приоритет изобретения таких материалов за Виктором Веселаго. Интерес к теме был настолько высок, что эта статья стала самой цитируемой за всю историю журнала УФН, который издается с 1918 года.
А в 2006 году один из авторов первой статьи, Дэвид Смит, к тому времени перешедший в Университет Дюка, вместе со своим коллегой по университету Дэвидом Шуригом и физиком Джоном Пендри из Имперского колледжа в Лондоне, опубликовали в Science статью «Управление электромагнитными полями». В ней они показали кольцевую конструкцию из метаматериала с отрицательным показателем преломления, которая заставляет электромагнитные волны огибать предмет, находящийся в центре. А это не что иное, как шапка-невидимка в самом буквальном смысле этого слова. Правда, пока для сантиметрового диапазона, но ведь это только начало.
Свет, радио, звук, прибой
Технология метаматериалов с отрицательным показателем преломления сейчас очень активно развивается. И не только потому, что это интересная наука, но и потому, что результаты в данной сфере могут привести к интересным решениям в прикладных областях. «Публика ждет шапку-невидимку, военные — идеальный камуфляж и невидимую радаром технику, — говорит Виктор Веселаго. — Но я не думаю, что в ближайшее время стоит ожидать чего-то подобного. Зато уже есть ряд очень интересных разработок в области материалов с отрицательным показателем преломления не для электромагнитных, а для сейсмических волн. Достаточно построить такую структуру вокруг здания, и волны, порожденные землетрясением, будут огибать его. А ученые из Института Френеля в Марселе и Ливерпульского университета уже несколько лет разрабатывают метаматериалы такого типа, способные защитить прибрежные сооружения от разрушительных приливных, штормовых волн и цунами. И конечно, моя мечта — это материалы с отрицательным показателем преломления для оптического диапазона, которые сделают реальностью суперлинзы для оптических приборов со сверхвысоким разрешением».
www.popmech.ru
Стопхам — Шапка невидимка
Johnny
Автор: 25 ноября 2014 09:23
Источник:
Ссылки по теме:
Не пропусти прямой эфир на Фишках с Варламовым!
Понравился пост? Поддержи Фишки, нажми:
Новости партнёров
fishki.net
Шапка-невидимка создана — это настоящая черная дыра
Британские ученые изобрели материал черного цвета, который невидим для человеческого глаза
17.07.2014 в 17:34, просмотров: 7581Физики оценили его как первый существенный прорыв в деле создания тканей-невидимок.
фото: Артем Макеев
Vantablack, или пречернейший, — так назвали свой материал специалисты одной частной фирмы. Он создан из углеродных нанотрубок, каждая из которых в 10 тысяч раз тоньше человеческого волоса и обладает способностью поглощать почти весь видимый свет. Также новый материал в 10 раз прочнее на разрыв, чем сталь. Благодаря такой ткани можно создать более эффективные инфракрасные оптические устройства, к примеру, сканеры, а также использовать ее для создания невидимых объектов в военных целях.
Как прокомментировали в Московском физико-техническом институте, это вполне серьезная работа. Материал, совсем не отражающий лучи, действительно настолько черен, что становится невидимым. Правда, то, что находится за ним, также не видно: перед наблюдателем предстает фантастическая в своем роде картинка — черное пятно в пространстве, чернота, непонятно из чего состоящая. Кроме создателей астрономических телескопов и военной техники материалом заинтереосвались и кутюрье. Правда, дама, надевшая платье из невидимой ткани, будет выглядеть более чем странно — вместо привлекательных очертаний тела все увидят только зияющую бездну.
www.mk.ru
О шапке-невидимке | Fresher — Лучшее из Рунета за день
Интересный рассказ фотографа-натуралиста Игоря Шпиленка.
Эта любопытная Лиза испортила мне немало снимков, затыкая объектив мордой Многие тысячи лет человек-охотник преследует диких животных, чтобы отобрать у них жизнь. И теперь страх четвероногих перед двуногими живет на инстинктивном уровне. Животные, у которых инстинкт страха перед человеком не развился, исчезли с лица планеты. Теперь, когда дикая природа сжимается, словно шагреневая кожа, все больше людей стремятся оказаться рядом с дикими собратьями вовсе не для того, чтобы отобрать у них жизнь. Среди этих людей и фотографы-натуралисты. Каждый фотограф, начинающий снимать диких животных, сталкивается со множеством трудностей и разочарований. Любой зайчишка, утка или кулик старается не подпустить человека ближе расстояния ружейного выстрела, то есть на 70 — 100 метров. Животные получаются на снимке слишком мелкими, чаще всего убегающими в смертельном страхе. Чтобы фотографировать ту же утку или зайца в полный кадр даже с помощью длиннофокусного объектива, надо оказаться в трех-пяти метрах от него. Нереально? Если бы было нереально, не существовало бы множества замечательных фотографий, показывающих самые сокровенные моменты из жизни животных. Грамотно устроенный скрадок — вот что может помочь приблизиться к осторожным зверям и птицам на любое расстояние. «Шапку-невидимку я сделал из четырех палок и куска плотной материи» — так писал об устройстве скрадка писатель-натуралист Н. Сладков. Человек прячется внутри скрадка, а животные не догадываются об этом. Скрадком может служить все, что способно скрыть фигуру человека и ее движения: маленькая палатка, шалаш, яма, большое дупло, завал деревьев, даже куча хвороста — все зависит от конкретной ситуации. 
Костюм «Леший» замечательно скрывает фигуру человека. Здесь я маскируюсь не сколько от животных, а от докучливых туристов в Долине Гейзеров в Кроноцком заповеднике. 
Съемка туров на Кавказе. Скрадком служит простая палатка. Скрадок может быть сделан из любого местного материала, привычного для животных: соломы, сена, травы, веток, старых досок. Отличным скрадком может быть яма, выкопанная в твердом грунте и обложенная по периметру бруствером из дерна и накрытая сверху любым доступным материалом: досками, брезентом, сучьями. В зимнее время в многоснежных местах хорошо строить скрадки из снега, по типу эскимосского иглу. 
Я снимаю белоплечих орланов и беркутов из снежного скрадка на берегу зимнего нерестилища нерки. Фото С. Горшкова 
Иногда достаточно вырыть в глубоком снегу яму и перекрыть ее аркой из снежных пластин. Из таких укрытий я снимал белоплечих орланов и лебедей, лис и росомах на Камчатке. Это мой любимый тип скрадков. Снежные кирпичи и пластины обладают замечательной тепло и звукоизоляцией. Приходилось мне делать скрадки из нарезанного бензопилой льда (для съемки выдр), но они не такие удобные, как из снега. Если проявить фантазию, в скрадки можно превратить многие привычные вещи. Например, автомобиль. Животные быстро привыкают к неподвижно стоящему автомобилю. Несколько лет назад я оборудовал комфортабельный скрадок на колесах — военный фургон на базе полноприводного ГАЗа. 
В открытой степи животные подпускают машины ближе, чем пеших людей Из такого скрадка я снимал рыбалку осторожнейших черных аистов на Брянщине, зубров и оленей в национальном парке «Орловское Полесье», осторожных сайгаков и журавлей красавок и хищных птиц в степях Калмыкии. В этом скрадке даже работал холодильник, где хранился изрядный запас пива и не только. Удавалось мне превращать в скрадок таежную избушку на Камчатке. Я занавесил в ней все окна, чтобы снаружи не было видно никаких движений, и положил под окнами полуразложившихся пахучих лососей. Через несколько недель на приваду приходили 4 вида зверей: горностай, норка, соболь, пара лис. Сначала они были чрезвычайно осторожны, но когда поняли, что это безопасное место, перестали бояться даже шума работающего на крылечке бензинового генератора. 
В тех местах, где много медведей, я стараюсь делать прочные скрадки из толстой фанеры Несколько простых правил. Скрадки желательно устанавливать задолго перед съёмкой, чтобы животные привыкли к ним и вели себя естественно.
В скрадке должно быть гораздо темнее, чем снаружи, тогда движения внутри укрытия не будут заметны животным. Надо позаботиться о максимально длинной бленде для объектива — многие животные боятся блеска передней линзы. Если вы после постройки скрадка вы оставляете его, чтобы животные привыкли к новому предмету, полезно вместо объектива выставить наружу донышко бутылки или банки с имитацией бленды — так животные смогут привыкнуть к блеску объектива. 
Скрадок из простой туристической палатки в степи у гнезда журавля красавки 
Звукоизоляция также важна. У животных слух острее, чем у нас. Если нельзя звукоизолировать скрадок, надо сделать это с камерами. Некоторые из них срабатывают очень громко.
Еще очень важно не только качественно построить скрадок, но и правильно засесть в него. Если вы сделаете это на глазах птиц и зверей, они будут знать о вашем местонахождении. Иногда залезать в засидку приходится в ночной темноте и уходить только следующей ночью (как вы догадываетесь, при долгом нахождении в скрадке надо решать проблемы, возникающие при малой и большой нужде). Некоторые животные плохо считают, поэтому можно прийти к скрадку вдвоем, после чего один человек может уйти. Для таких простых созданий важно, что абстрактная «опасность» удалилась. А некоторые очень сильны в арифметеке, особенно хищные птицы. Однажды канюк доказал мне, что он умеет считать до десяти. Если к скрадку у его гнезда приходило, скажем, шесть человек, а уходило пять, то это его не устраивало, и он не подлетал. Приходилось собирать все население нашей деревушки одиннадцать человек вместе со мной. После ухода такой толпы канюк сразу возвращался в гнездо. Потом удалось придумать другую схему: я заворачивался в брезентовый мешок, ложился на спину лошади и помощник отвозил меня к скрадку. Я переползал в скрадок, набивал там в мешок сено и ветки, после чего помощник увозил мешок в деревню. В скрадок надо не только правильно засесть — но и правильно выйти из него, чтобы не испугать животное. А вот фотоотчет о моем последнем, правда, неудачном использовании скрадка на Камчатке : 
Пытался снимать гагар, а пришла медвежья семья, и лончаки полезли ко мне в скрадок. Пришлось напугать их быстро раскрывающимся зонтиком (медведи этого жутко боятся) и отбегать от скрадка. Гагар после этого я так и не стал снимать: понял, что глупо это делать в устье нерестовой реки, где много медведей. Теперь ищу безмедвежий водоем с гагарами, что на Камчатке найти непросто.www.fresher.ru
Видимо? Невидимо!: шапка-невидимка | Журнал Популярная Механика
Шапки-невидимки и их эквиваленты в виде плащей или накидок до недавнего времени фигурировали в основном в сказках. Ими не слишком увлекалась даже научная фантастика (известный герой Уэллса исчезал с глаз иным образом). Однако с середины прошлого десятилетия ученые всерьез занимаются разработкой устройств, обеспечивающих если не полную невидимость, то ее неплохую имитацию.
В последние годы были опробованы разные способы создания невидимости. Для этого использовались специальные экраны или покрытия, изготовленные из высокотехнологичных композитов, так называемых метаматериалов, или из природных кристаллов с двойным лучепреломлением. Однако до сих пор таким путем удавалось маскировать либо тела с простой геометрией (например, двумерной), либо очень небольшие объекты (например, неровности на зеркальных поверхностях). К тому же подобный камуфляж реально осуществим только при наблюдении под определенными углами зрения.
Не видно
Однако совсем недавно сотрудникам Техасского университета в Остине удалось закамуфлировать столбик из диэлектрического материала высотой 18 и диаметром 2,5 см. Он был помещен в цилиндрический футляр диаметром 3,25 см, сделанный из двух разнесенных слоев того же материала с высокой диэлектрической проницаемостью, производимого фирмой Cuming Microwave. В пространство между слоями была вставлена тонкая лента из меди, опять-таки свернутая в цилиндр. Этот футляр и работал в качестве шапки-невидимки. Она лучше всего действовала при облучении монохроматическими волнами с частотой 3 ГГц (длина волны 10 см). При небольшом увеличении или уменьшении частоты невидимость практически исчезала. Физический механизм такой невидимости называется плазмонной маскировкой (plasmonic cloaking). Межатомное пространство медной обертки заполнено электронным газом, в котором падающие электромагнитные волны возбуждают квантованные колебания — плазмоны. Эти колебания сами становятся источником вторичных электромагнитных волн, которые интерферируют с волнами, рассеянными центральным цилиндром. Диэлектрический футляр воздействует на эти волны таким образом, что рассеянное цилиндром излучение почти полностью подавляется, и падающий волновой фронт обретает исходную форму.
И не слышно
А вот немецкие исследователи из Технологического института Карлсруэ успешно проверили на практике способ акустической маскировки, предложенный в 2009 году сотрудником Френелевского института в Марселе Стефаном Энохом и его коллегами. Эти ученые теоретически показали, что такую маскировку можно создать с помощью структуры из концентрических колец, изготовленных из материалов с разными значениями коэффициента продольной упругости (модуля Юнга), от которого зависит скорость распространения звуковых волн. И вот теперь Мартин Вегенер, Николас Штенгер и Манфред Вильгельм реализовали эту схему в эксперименте (правда, в упрощенной версии). Их акустическая шапка-невидимка выполнена в виде диска особой конструкции толщиной 1 мм и диаметром 15 см, выдавленного в листовой матрице из метаматериала. В центре диска прорезано отверстие размером чуть больше монеты в ?2. Источником звука был динамик, установленный сбоку от матрицы. Как показали замеры, радиальная скорость монохроматических звуковых волн частотой 200 — 400 Гц при приближении к вырезанному кругу сильно падала, в то время как азимутальная скорость, направленная перпендикулярно радиусу, при этом возрастала. В результате волны огибали отверстие почти без рассеяния и за то же время, какое им понадобилось бы при невозмущенном движении. Поэтому круговая прорезь не порождала эха, то есть была акустически невидима. Такой камуфляж был почти идеальным на частоте 200 Гц, однако более или менее сохранялся вплоть до 400 Гц (то есть в весьма солидном частотном интервале, равном одной октаве).
Невидимы для стихии
Обещают ли эти эксперименты практическую пользу? Да, и не только в области шпионажа. Еще три года назад ученые из Англии и Франции (среди них был и Стефан Энох) предложили защищать дома от землетрясений, окружая их многослойными кольцами из мета-материалов. А недавно математик из Манчестерского университета Уильям Парнелл предложил способ еще проще. Он теоретически показал, что защитные кольца можно делать из предварительно напряженных упругих материалов с нелинейными свойствами. Согласно его модели, они будут действовать наподобие шапки-невидимки, заставляя волны плавно огибать здания. Сейчас его группа уточняет эту теорию и ищет пути ее применения для строительства в сейсмоопасных районах. Так что, возможно, сейсмически невидимые сооружения появятся в не столь уж отдаленном будущем.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2012).www.popmech.ru