Невидимость веками была третьей мечтой человечества после полетов и способности видеть то, что далеко. Сегодня для первого есть самолеты, а для второго - телевидение и интернет. Какие технологии позволят нам научиться исчезать по собственному желанию в будущем? Кожа кальмара, отсутствующий небоскреб и материал-обманщик -Т&P изучили разработки современных ученых, чтобы ответить на этот вопрос.

Прежде всего, плохая новость: сделать живое тело невидимым с помощью эликсира пока не представляется возможным. Английский писатель и публицист Герберт Уэллс в своем романе «Человеке-невидимка», написанном в 1897 году, объяснял: «Тела либо поглощают свет, либо отражают, либо преломляют его, или все вместе. Если тело не отражает, не преломляет и не поглощает света, то оно не может быть видимо само по себе. Если вы положите кусок обыкновенного стекла в воду или, еще лучше, в какую-нибудь жидкость, более плотную, чем вода, то вы стекла почти совсем не увидите, потому что свет, переходя из воды в стекло, преломляется и отражается очень слабо, и вообще не подвергается почти никакому воздействию». Иными словами, чтобы сделать тело невидимым, нужно уменьшить коэффициент преломления его тканей (кожи, мышц, внутренних органов и костей) до коэффициента преломления воздуха. Ни физика, ни физиология сегодня не позволяют нам этого сделать: невидимые глаза не смогут улавливать свет, а для изменения оптических свойств тканей нужно так перекроить обмен веществ, что станет не понятно, как жить с этим. Идея шапки-невидимки тоже выглядит сомнительно: она должна временно менять оптические свойства не только живых тканей, но и одежды и обуви, - предметов, сделанных из совсем других материалов, часто смешанных и синтетических.

Как устроен плащ-невидимка

Плащ-невидимка работает совсем не так, как шапка или эликсир: не меняя свойств предмета, он может направить лучи света в обход и заставить стороннего наблюдателя видеть только то, что находится позади. Сегодня субстанции с такими свойствами уже есть: это метаматериалы с отрицательным углом преломления, который заставляет лучи света огибать объект и делает его невидимым глазу.

Первопроходцем в области создания таких метаматериалов стал физик Имперского колледжа в Лондоне, сэр Джон Пендри. В середине 90-х он предположил, что достижение нужного угла преломления возможно не столько за счет химического состава молекул, сколько за счет их расположения. Ученый исходил из всем известного факта: на границе сред волны могут отражаться или преломляться, а внутри среды - поглощаться или проходить сквозь нее. Он предложил использовать материалы, в состав которых входит металл (проводник электричества) и диэлектрик. Тем не менее, когда в 2006 году дошло до опытов, выяснилось, что метаматериалы Пендри делают предметы невидимыми только в инфракрасном диапазоне. Тогда профессора Мичиганского университета Елена Семушкина и Сян Чжан предложили отказаться от металла и использовать только диаэлектрики: например, одноосные кристаллы, для которых характерно двойное лучепреломление при всех направлениях падающего света, кроме одного.

Чтобы сделать плащ-невидимку, такие кристаллы начали исследовать физики из Бирмингема. Вскоре им удалось создать материал с одноосными кристаллами нитрида кремния на прозрачной нанопористой подложке оксида кремния. Когда все кристаллы оказались на подложке, в них проделали отверстия нанометрового диаметра. В результате получилось гладкое оптическое зеркало, которое способно скрывать объекты в видимом диапазоне. Именно такую технологию, возможно, использовали канадские создатели военных «исчезающих плащей», которые пока держат состав своего материала в секрете.

Quantum Stealth: материал-обманщик

Канадская компания Hyperstealth специализируется на камуфляже и выпускает ткань Quantum Stealth. Этот мягкий материал обводит свет вокруг объекта и позволяет сделать его невидимым для глаз, приборов ночного видения и тепловизоров, а также скрывает тень. Материал работает без камер, батарей, ламп и зеркал, мало весит и, по словам разработчиков, стоит недорого. Тем не менее, купить его пока нельзя, ведь изначально эта ткань была предназначена для канадской, американской и британской армии. Военные и представители групп быстрого реагирования начали тестировать Quantum Stealth в 2012 году. В апреле 2014 года Hyperstealth объявила о запуске коммерческого варианта своего плаща-невидимки: Hyperstealth INVISIB. Его свойства будут не такими удивительными, как у армейского аналога, однако исчезновений все равно можно будет добиться. Сейчас компания оформляет права интеллектуальной собственности на массовую версию разработки. Уже следующем году она, возможно, попадет на рынок.

Углеродные нанотрубки: эффект миража

Ученые из Университета Техаса в Далласе разработали технологию использования углеродных нанотрубок, которая позволяет «стирать» объекты. В ее основе лежит эффект миража, или фототермическое преломление. Чтобы заставить предмет «исчезнуть», специалисты используют цилиндрические молекулы углерода с высокой теплопроводимостью. Включая и выключая подачу тока, ученые нагревают и остужают материал, вынуждая предмет за ним появляться и пропадать. Основная проблема техасского изобретения, тем не менее, заключается в том, что для его работы скрываемый объект непременно должен находиться в контейнере с водой.

Исчезающий небоскреб: глаза наоборот

Американское архитектурное бюро GDS строит в Сеуле невидимый небоскреб Infinity. В высоту это здание будет достигать 450 м. Для строительства его создатели используют бетон и стекло, а невидимости планируют добиться за счет использования оптических видеокамер и дисплеев на фасаде. Камеры будут снимать то, что находится позади небоскреба, и транслировать изображение на его стены. Это создаст впечатление, что вы смотрите сквозь здание, а то и вовсе не видите его. Чтобы дисплеи смогли точнее отображать пейзаж, у Infinity будет три вертикальные секции, каждая с шестью сторонами. Правда, по углам, на стыке дисплеев, небоскреб все равно будет выглядеть заметным. До тех пор, пока мы не изобретем мягкие дисплеи достаточной прочности, устранить эту проблему не получится.

Белок рефлектин: кожа кальмара

Способность каракатиц, кальмаров и осьминогов становиться невидимыми в воде позволила ученым из Университета Калифорнии и Университета Дьюка создать «плащ-невидимку» для морских пехотинцев. Они использовали белок под названием рефлектин, способный подстраиваться под свет с разной длиной волны. Специалисты нашли его в тканях кожи кальмара лонгфин (Loligo pealeii), которого изучали по заказу Службы военно-морских исследований США. Они обнаружили, что в его тканях чередуются слои клеток с высоким и низким показателем преломления. Сокращая и увеличивая расстояние между слоями, кальмар «отражает» свет разного диапазона и меняет цвет. Чтобы воспроизвести эту способность, ученые выделили рефлектин из клеток с высоким показателем преломления и поместили слой этого белка на оксид-графеновую и диоксид-силиконовую пленку. Попеременно обрабатывая материал водяным паром и раствором кислоты, они смогли заставить слой белка расширяться и опадать, меняя цвет. Специалисты говорят, что их разработка станет «первым решающим шагом» к созданию исчезающего плаща. Такая самонадеянность понятна: ведь если, повторяя за птицами, мы научились летать, почему бы нам не научиться быть невидимыми, повторяя за кальмаром?

Жемчугова Татьяна

Руководитель проекта:

Макашутина Людмила Викторовна

Учреждение:

МБОУ СОШ №2 ЗАТО Озерный Тверской области

Моя исследовательская работа по физике "Плащ-невидимка: миф или реальность?" посвящена исследованию возможности создания реального плаща-невидимки, поиска технических решений данной задачи. В процессе своего исследования я постараюсь понять, как работает «невидимость», проведу эксперимент.

В исследовательском проекте по физике на тему "Плащ невидимка: миф или реальность?" я проведу анкетирование обучающихся нашей школы о знаниях в области создания плаща-невидимки в современном мире.

В процессе исследовательской работы по физике на тему "Плащ невидимка - миф или реальность?" мне необходимо будет выполнить поиск информации об известных технологиях создания плаща-невидимки и рассмотреть существующие технологии создания такого плаща.

Введение
1. Опрос о плаще-невидимке.
2. Как работает «Невидимость»
1.1. Способ стать невидимым №1.
1.2. Способ стать невидимым №2.
1.3. Способ стать невидимым №3.
1.4. Способ стать невидимым №4.
3. Эксперимент "Камуфляж"
Заключение
Литература

Введение

Сегодня это больше не сюжеты из сказки: у нас уже есть самолеты, орбитальные станции, телевидение и интернет.

Созданием реального плаща-невидимки учёные занялись лишь четверть века назад, однако за столь короткий промежуток времени они успели найти сразу несколько технических решений этой задачи.

Цели и задачи:

Провести опрос учащихся школы о познаниях в современных технических возможностях создания сказочного плаща-невидимки в современном мире.
Исследовать возможности создания реального плаща-невидимки.
Ознакомить обучающихся с техническими решениями данной задачи.

План работы:

Поинтересоваться у родителей знакомых о существовании плаща-невидимки. Опросить учащихся о их познании в его существовании.
Поиск информации о известных возможностях и технологиях создания плаща-невидимки.
Понять как работает «невидимость».
Классификация и рассмотрение всех технологий для создания плаща-невидимки.

1. Опрос о плаще-невидимке

Ученикам нашей школы были заданы вопросы:

Хотели бы вы иметь плащ невидимку?
Зачем?
Как вы думаете в современном мире при техническом прогрессе есть ли возможность создания плаща невидимки?

Результаты опроса:

1. «Хотели бы вы иметь плащ-невидимку? »
Был ответ «Да ».

Но есть и те, которые не хотят иметь плащ-невидимку.

2. На вопрос «Зачем нужен им плащ-невидимка » школьники ответили:

«Чтобы их никто не видел»
«Чтобы физкультуру прогуливать спокойно и не попадаться на глаза»
«Подглядывать за другими»
«Чтобы ограбить банк»

Ну а другие не сказали зачем он им нужен.

3. На последний вопрос «Как вы думаете в современном мире при техническом прогрессе есть ли возможность создания плаща-невидимки ?» школьники ответили, что в нашем мире недостаточно технологий для изобретения плаща, ну а кто-то, надеясь на это ответил, что возможность есть.

2. Как работает «Невидимость»

Для того чтобы понять, что такое «невидимость » , необходимо сперва разобраться, что такое «видимость » .

В вакууме или в прозрачной среде лучи света распространяются прямолинейно. Однако, если луч встречает преграду, он трансформируется - отражается, преломляется, поглощается.

Попав в человеческий глаз, такой видоизмененный луч и позволяет нам «видеть ».

Способ стать невидимым №1

Первый способ стать невидимым: особый материал преломляющий лучи.
Группа американских ученых из Калифорнийского университета в Беркли создала прототип плаща-невидимки, который оказался максимально приближенным к его описанию в научной фантастике.

Правда, пока разработанная система может скрывать от взора человека только микроскопические объекты.

Способ стать невидимым №2

Второй способ стать невидимым: проекция всего что находится сзади объекта на специальный экран впереди.

Стоит понимать, что подобные разработки были у ученых и раньше, например, ранее в другом университете создали систему «маскирующих » линз , что перенаправляли солнечные лучи и делали объект псевдо-невидимым.

Новая разработка же является плащом-невидимкой в полной мере.

Способ стать невидимым №3

Третий способ стать невидимым: «хамелеон » или «камуфляж » – принять цвет окружающей среды.

Камуфляж массово начал использоваться военными всего мира относительно недавно - с конца XIXв.

До этого военная форма выглядела намного привлекательнее - яркие цвета, в основном синий, красный и белый, эполеты, блестящие пуговицы. Все это сильно облегчало управление войсками на местности.

Потом технический прогресс и совершенствование методов ведения войны потребовали сделать солдат менее заметными на фоне окружающей природы, и вот уже больше 100 лет эту задачу с переменным успехом решают всевозможные камуфляжи.

Но сейчас военным уже недостаточно похитрее окрасить форму, и ученые ищут принципиально иные подходы к сокрытию на местности людей и техники.

Способ стать невидимым №4

Четвертый способ стать невидимым: щит из радиоволн.

Световые лучи и радиоволны имеют одну и ту же природу - это электромагнитные колебания.

Сказка часто становится былью. Ковры-самолеты, волшебные блюдца, в которых отражается далекая реальность, сапоги-скороходы и многие другие выдумки стали вполне обыденной реальностью. Теперь на очереди шапка-невидимка. По крайней мере, американский журнал «Наука» опубликовал статью, в которой изложены основные принципы действия практически идеального средства маскировки.

Проблемы невидимости

Проблемой оптической скрытности объектов занимаются ученые кафедры материаловедения Национальной лаборатории имени Лоуренса в университете Беркли. Руководит работами м-р Сян Чжан. Общая идея состоит в том, чтобы заставить свет огибать некий объект. Подобные разработки уже производились в прошлом, но успеха не дали по той причине, что предыдущие попытки могли отклонять лучи в узком угловом диапазоне. Полной оптической проницаемости или ее иллюзии достигнуть пока так и не удалось. Искажение картины позволяет производить локацию объекта (то есть его визуальное обнаружение). Проблему представляла и недостаточная гибкость маскирующих поверхностей. Всех этих недостатков лишен ультратонкий материал, разработанный в Беркли. «Плащ», изобретенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса, гибок, но пока слишком дорог.

Принцип действия

Роль сказочников в наше время играют кинематографисты. В фильме «Хищник», Чужой (антагонистический персонаж) использует маскировочное устройство для того, чтобы скрытно приближаться к своим жертвам. Эффект далек от совершенства: пришельца выдают искажения света. Он не прозрачен (хотя обнаружить врага не так легко), на его месте наблюдается некое марево. Реальность превзошла самые смелые режиссерские мечтания. «Плащ», изобретенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса, делает объект по-настоящему невидимым.

Принцип действия состоит в том, что множество микроскопических зеркал автоматически разворачиваются в направлении источника света. Примерно так же работает «столик для говорящей головы». Фокусник, окруженный снизу зеркалами, остается невидимым для зрителя за исключение возвышающейся над ними части тела. В условиях сложности рельефа и формы скрываемого объекта добиться такого эффекта очень сложно. Но все же возможно.

Технические параметры

Известно, что «плащ-невидимка» покрыт слоем фторида магния, на который нанесен узор из крошечных золотых кирпичиков-антенн толщиной в 30 нанометров. Это очень тонкая пленка, во много раз тоньше волоса. Общая толщина вместе с подложкой составляет 50 нанометров. «Кирпичики» представлены в шести различных размерах, в пределах от 30 до 220 нанометров в длину и от 90 до 175 нм в ширину. Благодаря этим микроантеннам существует возможность поворачивать зеркальные поверхности перпендикулярно направлению света и полностью его рассеивать. При этом учитывается и частота, и фаза излучения, - относительно начального параметра они повернуты на 180 градусов, что позволяет полностью его компенсировать.

При правильной настройке поверхностей полированный золотых плоскостей можно придать отраженному свету любой эффект. Он может изображать фон объекта (например, пол) или нечто совершенно другое. Если плащ-невидимка будет достаточно большим, теоретически им можно накрыть что угодно. К примеру, танк будет похожим на велосипед. Или его вообще будет не видно.

Практические перспективы

Исследования проводились в световом диапазоне с длиной волны 730 нм (ближняя инфракрасная область спектра). Наблюдалось практически идеальное отражение. Это научное достижение впечатляет и наводит на мысли о новом витке гонки вооружений. Однако думать о невидимых танках, ракетах, самолетах и прочих образцах смертоносной техники пока еще рановато. Дело в том, что эксперименты производились с неким объектом сложной пространственной конфигурации, величиной в 36 мкм в аппроксимированном диаметре. Если в дюймах, то это примерно одна тысячная. В миллиметрах… в общем, обычная песчинка, только очень маленькая. Именно ее обернули таинственным «плащом-невидимкой». Наука умалчивает о том, в какую сумму обошлось сделать ее оптически прозрачной.

Впрочем, когда-нибудь и это изобретение может получить практическое применение. К примеру, экраны кинотеатров в настоящее время должны быть идеально ровными, а в случае применения «умных кристаллов-микроантеннок» это требование окажется ненужным, и изображения можно будет проецировать на любые криволинейные поверхности без искажений.

Возможность по своему желанию становиться невидимым столетиями входила в первую тройку величайших человеческих желаний наряду с полетами и способностью видеть то, что далеко. Сегодня это больше не сюжеты из сказки: у нас уже есть самолеты, орбитальные станции, телевидение и интернет. Созданием реального плаща-невидимки учёные занялись лишь четверть века назад, однако за столь короткий промежуток времени они успели найти сразу несколько технических решений этой задачи.

Для того чтобы понять, что такое «невидимость», необходимо сперва разобраться, что такое «видимость». В вакууме или в прозрачной среде лучи света распространяются прямолинейно. Однако, если луч встречает преграду, он трансформируется - отражается, преломляется, поглощается. Попав в человеческий глаз, такой видоизмененный луч и позволяет нам «видеть». Сказанное справедливо для непрозрачных предметов, но зато проходя через тонкое стекло, луч света почти не претерпевает изменений и потому преграда практически невидима.

Представьте себе тонкую струю воды, падающую вертикально вниз. Подставим под струю мячик от настольного тенниса. Вода, попав на шарик, стечёт по его поверхности, а снизу опять превратится такую же тонкую струю. И глядя на неё, можно подумать, что струя не встречала никакой преграды. Значит, для создания плаща-невидимки необходимо сделать так, чтобы любой луч, упавший на человеческое тело, не трансформировался, а продолжал свой путь в том же направлении, с той же яркостью и спектральной частотой, будто бы он прошёл через тонкое стекло. Какие же технологии позволяют превратить теорию в практику?

Метаматериал Quantum Stealth

Плащ-невидимка не должен изменять свойства предмета - он просто направляет лучи света в обход и заставляет стороннего наблюдателя видеть только то, что находится позади. Сегодня субстанции с такими свойствами уже есть: это метаматериалы с отрицательным углом преломления, который заставляет лучи света огибать объект и делает его невидимым глазу, приборам ночного видения и тепловизорам, а также скрывает тень.

В 2006 году профессора Мичиганского университета Елена Семушкина и Сян Чжан предложили использовать диаэлектрики: например, одноосные кристаллы, для которых характерно двойное лучепреломление при всех направлениях падающего света, кроме одного. К исследованию подключились физики из Бирмингема, и вскоре им удалось создать материал с кристаллами нитрида кремния на прозрачной нанопористой подложке оксида кремния. Проделав в кристаллах отверстия нанометрового диаметра, учёные получили гладкое оптическое зеркало, которое способно скрывать объекты в видимом диапазоне.

Уникальный материал под названием Quantum Stealth работает без камер, батарей, ламп и зеркал, мало весит и, по словам разработчиков из компании Hyperstealth, стоит недорого. Тем не менее, купить уникальную ткань пока нельзя, ведь изначально она была предназначена для канадской, американской и британской армии. Военные и представители групп быстрого реагирования начали тестировать Quantum Stealth в 2012 году. В апреле 2014 года Hyperstealth объявила о запуске коммерческого варианта своего плаща-невидимки: Hyperstealth INVISIB, который должен появиться в продаже уже в этом году.

Гардероб из кальмаров

Способность каракатиц, кальмаров и осьминогов становиться невидимыми в воде позволила учёным из Университета Калифорнии и Университета Дьюка создать «плащ-невидимку» для морских пехотинцев. Впрочем, он не сделает их в буквальном смысле невидимыми, по позволит гениально маскироваться на фоне окружающей местности, буквально растворяясь в пейзаже.

Специалисты использовали белок из кожи кальмара лонгфин (Loligo pealeii) под названием рефлектин, способный подстраиваться под свет с разной длиной волны. Они обнаружили, что в тканях чередуются слои клеток с высоким и низким показателем преломления. Сокращая и увеличивая расстояние между слоями, кальмар «отражает» свет разного диапазона и меняет цвет.

Чтобы воспроизвести эту способность, учёные поместили слой этого белка на оксид-графеновую и диоксид-силиконовую плёнку. Попеременно обрабатывая материал водяным паром и раствором кислоты, они смогли заставить слой белка расширяться и опадать, меняя цвет. Это лишь первый этап работы, но уже нет сомнений, что появление уникальной новинки – лишь вопрос времени.

Щит из радиоволн

Световые лучи и радиоволны имеют одну и ту же природу - это электромагнитные колебания. Разница заключается лишь в длине волны. У видимого света она измеряется долями миллиметра, а радиоволны могут быть в несколько километров длиной. От длины волны зависят и некоторые физические качества. Например, свет при обычных условиях может огибать только сопоставимые с длиной волны препятствия. Средние волны могут огибать человеческое тело, здания и другие объекты. А длинные волны могут обойти даже земной шар.

Однако луч света, совмещённый с радиоволной, перенимает часть её свойств и тоже начинает огибать препятствия. В истории известно много случаев столкновения самолетов с радиопередающими вышками. Как правило, причина кроется как раз в этом эффекте: при определённой длине волны детали вышки утрачивают визуальную чёткость. Лётчики жаловались на то, что антенны не были видны, или имели размытые контуры.

Чтобы добиться подобного эффекта для человека, нужно точно рассчитать длину радиоволны в зависимости от размера объекта. Опытным путём была выведена закономерность, согласно которой световые лучи свободно огибают человеческое тело, если оно само излучает поток радиоволн с частотой 1456 килогерц (+- 5%). Любой грамотный радиолюбитель может стать невидимым при помощи источника питания 1.5 В, катушки индуктивности, конденсатора и крепящихся к телу клемм.

Устройство испытывалось на многих людях с неизменным успехом, однако вскоре выяснилось, что невидимость пробуждает в людях не самые лучшие качества. Например, Стив Р. из Бостона бесплатно слетал в Европу, проникнув невидимым в самолет «Бритиш Аируэйз». Некий Марк А. вообще не придумал ничего лучшего, чем похитить портативный DVD плеер из магазина, а через неделю был арестован при попытке продать его. Невольно вспоминается супергеройская мудрость: «Большая сила – большая ответственность»…