Американские физики-теоретики предложили механизм детектирования идеального плаща-невидимки — оболочки, которую сторонний наблюдатель не может «увидеть» с помощью сколь угодно широкого диапазона электромагнитного излучения. Для этого необходимо в предполагаемое место нахождения плаща-невидимки выстрелить пучком очень быстро двигающихся заряженных частиц. Как показали ученые, попадание частиц в материал оболочки и их прохождение через нее будет генерировать электромагнитное излучение, по которому и можно будет обнаружить присутствие плаща-невидимки.

Идеальный плащ-невидимка, способный скрывать объекты под любым углом зрения и во всех диапазонах электромагнитного излучения (включая видимый свет), пока не создан. Но это не значит, что он не может существовать — никаким законам физики он не противоречит.

Фотоны электромагнитного излучения (света) распространяются прямо, если показатель преломления среды на всём их пути не меняется. Но в случае непостоянства (анизотропии) показателя преломления фотоны могут двигаться по довольно причудливым траекториям — например, всем известные миражи вызваны как раз криволинейным движением световых лучей. В связи с этим нет ничего принципиально невозможного в том, чтобы создать оболочку, которая направляла бы свет в обход объекта (рис. 1), а затем снова восстанавливала прежнее направление его распространения.

Рис. 1. Одна из возможных форм плаща-невидимки — сферическая оболочка. Маленький красный круг справа — источник электромагнитного излучения. Вещество плаща-невидимки (метаматериал) показано синим цветом. Внутри оболочки находится укрываемый объект. Плащ-невидимка направляет электромагнитное излучение от источника в обход объекта, при этом практически не меняя и его интенсивность. Рисунок из статьи J. B. Pendry, D. Schurig, D. R. Smith. Controlling Electromagnetic Fields

На практике всё намного сложнее. Во-первых, чтобы сконструировать плащ-невидимку, необходимо получить вещество с заданным (в зависимости от формы плаща-невидимки) анизотропным показателем преломления, что уже само по себе очень непросто. Во-вторых, даже если такой материал удастся создать, необходимо еще, чтобы он был совершенно прозрачным (практически не поглощал электромагнитное излучение). В естественных условиях среды с подобными характеристиками не встречаются, поэтому их приходится изготавливать искусственно.

Большие надежды ученые возлагают на синтезированные в конце 90-х годов метаматериалы — вещества, которые обладают требуемой анизотропией диэлектрической и магнитной проницаемости, а также малым поглощением. Благодаря метаматериалам имеются уже определенные достижения. Так, в 2006 году американские ученые из Университета Дьюка сконструировали оболочку из метаматериала, которая оставалась невидимой, правда в очень узком микроволновом диапазоне (частота 8,5 ГГц). Разумеется, исследования продолжаются, и в планах ученых — создание плаща-невидимки, способного укрыть объект в более широкой полосе частот электромагнитных волн, куда должны войти и световые волны. Пока что значительных успехов в этом направлении не наблюдается.

Пусть, однако, у нас есть идеальный плащ-невидимка. Можно ли его обнаружить? С помощью света (или других электромагнитных волн) нельзя: лучи, которыми мы попытаемся его осветить, он пропустит через себя так же, как и любые другие.

В статье Electromagnetic Detection of a Perfect Invisibility Cloak («Электромагнитное обнаружение идеального плаща-невидимки»), опубликованной недавно в журнале Physics Review Letters, американские физики-теоретики предложили другой способ. Плащ-невидимку надо обстрелять релятивистскими (то есть двигающимися со скоростью, близкой к скорости света) заряженными частицами — например, электронами. При прохождении потока частиц через материал плаща возникнет электромагнитное излучение, которое и можно будет детектировать.

Попытаемся разобраться, почему при прохождении через плащ-невидимку потока равномерно и прямолинейно движущихся заряженных частиц возникает излучение.

Напомним, что работа плаща-невидимки основывается на аккуратном огибании фотонами спрятанного объекта. Такое движение фотонов внешний наблюдатель может описать как движение в искривленном пространстве (говоря научным языком, в пространстве с искривленной метрикой), см. рис. 2а. Подобно тому как черная дыра своей гравитацией искривляет пространство-время, материал плаща-невидимки искривляет электромагнитное пространство, в котором по законам, описываемым уравнениями Максвелла, движутся фотоны.

Рис. 2. Траектории движения фотонов (photon propagation) и релятивистских заряженных частиц (particle motion) через плащ-невидимку (сферическая оболочка с внешним радиусом R₁ и внутренним R₂) в реальном физическом пространстве (a) и электромагнитном (a и b). Электромагнитное пространство, в котором движутся фотоны, показано коричневой сеткой. В отличие от рисунка a, электромагнитное пространство на рисунке b показано таким, каким оно «кажется» фотонам электромагнитного излучения и заряженным частицам — то есть неискривленным (плоским). Рисунок из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett

Если на движение фотонов в плаще-невидимке посмотреть «их собственными глазами», то они никакого искривления своей траектории не ощутят. Для них электромагнитное пространство осталось невозмущенным, плоским. Фотонам будет «казаться», что они, как и раньше (до попадания в плащ-невидимку), путешествуют прямолинейно.

Что касается потока заряженных частиц, то они пройдут через плащ-невидимку (с его искривленным электромагнитным пространством) по прямой. Но это — с точки зрения внешнего наблюдателя, а самим частицам картина их перемещения в электромагнитном пространстве будет представляться совершенно иной (рис. 2b). Благодаря наличию электрического заряда частицы будут «чувствовать» искривленное электромагнитное пространство внутри плаща невидимки; им будет казаться, что это пространство плоское, а их движение в плаще-невидимке стало криволинейным.

Более того, движение частиц относительно электромагнитного пространства окажется еще и неравномерным: в точках входа в плащ-невидимку и выхода из него (точки А и С на рис. 2b) скорость пучка имеет максимальное значение и превосходит скорость света в материале плаща. Здесь пучок частиц породит черенковское излучение (см. статью Излучение сверхсветовых частиц (эффект Черенкова), PDF, 150 Кб, в Соросовском образовательном журнале).

Черенковское излучение возникает там, где частицы (неважно, заряженные они или нет) движутся со скоростью, превышающей скорость света в данной среде; при этом создается оно не движущимися частицами, а атомами вещества, которое ими пронизывается.

Внутри плаща-невидимки частицы вначале снижают свою скорость до величины меньшей, чем скорость света в веществе (кривая АВ), а затем плавно ее увеличивают (кривая ВС). Из-за того что движение заряженных частиц по траектории АВС оказывается неравномерным и криволинейным, они будут порождать магнитотормозное излучение.

То обстоятельство, что частицы движутся по кривой только относительно искривленного электромагнитного пространства, не помешает заинтересованному наблюдателю обнаружить порождаемое ими электромагнитное излучение и таким образом заметить невидимый плащ-невидимку.

Описав теоретическую модель возникновения электромагнитного излучения при прохождении пучка заряженных частиц через плащ-невидимку, американские теоретики затем апробировали свои результаты на конкретном примере. Они рассмотрели идеальный плащ-невидимку в виде сферической оболочки с внутренним и внешним радиусом 1 и 2 мкм соответственно и «направили» на него тонкий пучок электронов, состоящий из 1000 частиц и движущийся со скоростью 90% от скорости света в вакууме.

Опираясь на разработанную теорию, ученые описали и визуализировали для внешнего наблюдателя (в реальном пространстве) прохождение электронов через плащ-невидимку. На рис. 3 показано распределение напряженности электрической компоненты электромагнитного поля электронов в различные моменты времени (для удобства вычислений за начало отсчета авторы работы выбрали момент прохождения пучком середины между точкой входа в плащ и точкой выхода из него).

Рис. 3. Распределение в реальном физическом пространстве электрической компоненты электромагнитного излучения, возникающего при прохождении пучка из 1000 электронов через идеальный плащ-невидимку (скорость движения частиц составляет 90% от скорости света в вакууме). Плащ-невидимка — сферическая оболочка с внутренним и внешним радиусами 1 и 2 мкм соответственно. Для удобства расчетов за начало отсчета времени было принято время прохождения пучком середины плаща-невидимки; показаны моменты от t = –7 фс (фемтосекунд, 1 фс = 10^–15 с) до t = 11 фс. Пунктирная линия показывает траекторию движения электронов. Текущее положение пучка электронов в момент времени, соответствующий каждому из рисунков, показано зеленой стрелкой. Рисунок из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett

В момент t = –7 фемтосекунд электроны (показаны зеленой стрелкой) находятся в непосредственной близости от плаща-невидимки. Никакого излучения пока что нет. Напряженность электрического поля создается только за счет зарядов электронов.

Далее еще раз опишем, теперь уже на конкретном примере, процесс прохождения электронов через плащ-невидимку с их собственной точки зрения. Как только первые частицы попали в плащ, атомы его материала начинают испускать черенковское излучение, поскольку скорость электронов больше скорости света в среде. По мере продвижения электроны начинают двигаться криволинейно и сначала замедляться, а потом снова ускоряться, из-за чего они сами теперь порождают другую разновидность электромагнитного излучения — магнитотормозное излучение. Этому моменту соответствуют кадры визуализации движения электронов в реальном физическом пространстве при t = –2,5 фс (электроны вошли в оболочку), t = 0 (середина оболочки) и t = 3 фс (когда они приближаются к выходу из плаща-невидимки). Приблизившись к границе оболочки, электроны опять увеличивают свою скорость до величины, большей, чем скорость света в веществе, и вновь создают черенковское излучение. При t = 7 фс пучок заряженных частиц покидает плащ-невидимку, оставив после себя две разновидности электромагнитного излучения: черенковское и магнитотормозное.

В конце статьи авторы отмечают, что предложенный ими механизм детектирования плаща-невидимки, скорее всего, единственный возможный — если, конечно, не принимать во внимание вероятность механического столкновения.

Юрий Ерин