Как учените превръщат силата на невидимостта в реалност

В продължение на хиляди години хората разказват истории за магически същества, способни буквално да се движат из света невидими.

От изпълняващите желания джинове в арабския фолклор до хората в сянка в инуитската митология, същества, притежаващи фантастичната способност да изчезват от поглед, отдавна са пленявали човешкото въображение. В по-ново време научнофантастичните и фентъзи поредици популяризираха идеята, че обикновените хора също могат да станат невидими благодарение на магически наметала (Хари Потър), генетични мутации (героите на Marvel) или напреднали технологии (космическите кораби в „Стар Трек“).

Но съществува ли научно обоснован начин да се създаде тази на пръв поглед най-невероятна илюзия? Физици по целия свят работят именно върху това.

Изследователи вече показаха, че поне теоретично е възможно да се изгради мантия, която да кара обикновени предмети да изчезват. Вдъхновени от тези идеи, други учени разработват методи, които биха направили сградите „невидими“ за земетресения, а концертните зали невидими за звук. Всички тези трикове със скриване се основават на подобен принцип: умело насочване на вълни – светлинни, звукови или сеизмични – така, че да се създаде илюзията за празно пространство.

И въпреки че съществуват сериозни препятствия пред създаването на носима мантия-невидимка като онези от любимите ни фентъзи истории, някои учени смятат, че това не е напълно извън нашите възможности.

„Целта е много проста“, казва Юн Лай, изследовател на невидимостта в Университета "Нанкин" в Китай. „Ключът е как да се проектира материалът, за да се постигне това.“

Мантията-невидимка прескочи от коридорите на Хогуортс в научната литература преди около две десетилетия.

В края на 90-те и началото на 2000-те години учените започват да разработват нов клас материали, наречени метаматериали. Те притежават необичайни и екстремни свойства, невиждани в природата, благодарение на фино проектираните си микроскопични структури. Когато физикът Улф Леонхард научава за техните изключителни оптични характеристики, той започва да обмисля дали биха могли да бъдат използвани за постигането на най-висшата илюзия: невидимост.

„Просто си помислих: това е невероятно“, спомня си Леонхард, добавяйки, че по онова време препрочитал „Невидимият човек“ на Х. Дж. Уелс. „Какво би било необходимо, за да стане това реалност?“

През 2006 г. Леонхард и отделен екип от Университета "Дюк" и Импириъл Колидж Лондон публикуват две статии в Science, в които теоретично описват как да се създаде мантия-невидимка. Според тях метаматериал може да бъде проектиран с много малки дупки или други форми, които да пренасочват светлинните вълни около обекта, без да преминават през него. Тъй като светлината би излизала от другата страна така, сякаш не е срещнала препятствие, би се създала илюзия за празно пространство.

„Това е първият път, когато беше доказано, че невидимостта може да бъде постигната по научен начин“, казва Лай.

Само няколко месеца по-късно същите учени съобщават за създаването на първата такава мантия, която скрива обект от микровълново лъчение в две измерения. В експеримента меден цилиндър е скрит вътре в мантия от 10 концентрични пръстена, изработени от материал, използван в печатни платки, с диаметър под 13 см. Мантията успешно отклонява вълните така, че тя и цилиндърът сякаш изчезват.

И въпреки че това постижение е огромна крачка напред, бързо става ясно, че метаматериалите имат сериозни ограничения.

За да може такава мантия да скрие обект от определена дължина на вълната, нейните микроструктури трябва да са около една десета от тази дължина, казва Себастиан Гюно, физик в Импириъл Колидж Лондон. За да се отклонят видимите светлинни вълни, измервани в нанометри, е необходимо наноинженерство с изключително висока прецизност.

„Не можете да си представите Хари Потър, облечен в подобен метаматериал – това би струвало милиарди“, казва Гюно.

Друго ограничение на тези наметала е, че те обикновено работят само за една конкретна дължина на вълната. Наметало, настроено за червена светлина, няма да скрие обект от синя. Освен това насочването на светлината около обекта забавя пътя ѝ, така че тя би трябвало да се движи по-бързо от скоростта на светлината, за да навакса, нещо възможно само при една единствена честота.

Някои изследователи са използвали стъкло или призми, за да създадат широкоспектърни наметала, които скриват обекти от определени ъгли, доказвайки, че подобни ефекти не са напълно невъзможни. Метаматериалите обаче предлагат далеч по-голям потенциал за напреднала технология за невидимост — и именно там предизвикателствата стават най-сериозни.

По ирония на съдбата, дори ако се създаде мантия, способна да отклонява целия спектър на видимата светлина, възниква нов проблем за този, който я носи. Ако никаква светлина не прониква през наметалото, „човекът няма да може да вижда какво има отвън“, казва Гюно. „Хари няма да може да види Лорд Волдемор.“

Метаматериалите не са единственият начин да се постигне изчезване на обекти. „По време на изследванията си открих, че има множество подходи към невидимостта“, казва Лай.

Една от възможностите, която той проучва, е маскиране от разстояние чрез манипулиране на разсейването на светлината. При правилно позициониране на устройството вълните, идващи към обекта, могат да се разсеят между него и маскиращото устройство и да се неутрализират взаимно.

Такава мантия има предимството, че скритият обект би могъл да „вижда“ входящите вълни. Но Лай подчертава, че дизайнът е изключително сложен и вероятно би бил приложим само за нискочестотни вълни, като радиовълни, а не за видима светлина.

Други учени са си представяли устройства, които излъчват вълни, за да отменят входящите, подход, наречен активно външно прикриване. През 2021 г. изследователи показват, че чрез заобикаляне на обект с термопомпи може да се скрие от термокамера, която засича инфрачервено лъчение, невидимо за човешкото око. Проучването показва и че тези устройства могат да придадат на обект различен топлинен подпис и всъщност да го накарат да изглежда като нещо друго.

„Можете да накарате една ябълка да изглежда като портокал“, казва Фернандо Гевара Васкес, съавтор на изследването и професор по математика в Университета на Юта.

Докато метаматериалните мантии имат фиксирана функция, активните устройства, като термопомпите, могат да бъдат пренастройвани. „Това по същество е софтуерно управление“, добавя Гевара Васкес.

Но има уловка: всеки, който използва такова устройство, трябва предварително да знае какво поле иска да елиминира. Например, ако военни инженери искат да скрият обект от радар, трябва да са наясно предварително с радиочестотите, срещу които ще се маскират. Докато не настроят мантията за конкретните честоти, обектът остава видим.

Изследванията в областта на прикриването от разстояние остават предимно теоретични, подкрепени от ограничен брой експерименти. За да открием наметала-невидимки, готови за реална употреба, трябва да погледнем към много по-големи мащаби.

Докато миниатюрният размер на светлинните вълни прави изключително трудна промяната на техния път чрез материали, учените отдавна се интересуват от въздействието върху много по-големи вълни, като океанските или сеизмичните вълни от земетресения.

Това се оказва много по-практично.

„Вече говорим за дупки с размер няколко метра“, обяснява Гюно, който изучава сеизмични мантии. „Може да използвате всякакви сондажни машини, не се налага нанотехнология.“

Гюно посочва, че чрез пробиване на серия от концентрични дупки в земята около сграда, които са настроени да съответстват на честотата на очакваните сеизмични вълни (определяни от свойствата на местната почва), тези вълни могат да бъдат пренасочени. По подобен начин бетонни колони или пръти могат да бъдат разположени на морското дъно, за да защитят офшорни платформи от океански вълни. Изследователите изучават тези мащабни мантии повече от десетилетие с цел защита на градове, исторически обекти, ядрени реактори и дори изключително чувствително научно оборудване като детектори за гравитационни вълни.

Гюно и колеги са разглеждали и естествени метаматериали като дървета. Проучвания показват, че горите могат да отслабват сеизмичните повърхностни вълни; при правилно разстояние между тях ефектът може значително да се усили.

И макар че сеизмичната защита изглежда далеч от ромулански камуфлаж от научната фантастика, това изследване вероятно нямаше да съществува без стремежа към невъзможното.

„Според мен невидимостта вече не е научнофантастична концепция“, казва Гюно. „Това е инструмент, който може да се окаже изключително полезен за подобряване на съществуващи защитни системи от земетресения и от океански вълни.“

Макар леката мантия, под която човек може да изчезне, засега да остава в realm-а на фантазията, науката за невидимостта продължава да напредва и пробивите стават все по-чести.

През 2024 г. Лай и екипът му предлагат нова стратегия за заобикаляне на ограничението на честотната лента при конвенционалните метаматериални мантии. С помощта на метаматериална мантия, съставена от прецизно проектирани „акустични тунели“, които насочват звуковите вълни около препятствие и ги извеждат през изходна повърхност, изследователите показват, че е възможно да се създаде илюзията, че цялото пространство между входа и изхода на мантията просто не съществува.

Това означава, че за разлика от традиционните метаматериални мантии, при които само една единствена честота може да премине от едната страна до другата, без да бъде забавена във времето, новият дизайн позволява на широк диапазон звукови вълни да преминават с една и съща скорост.

„Установяваме, че ако самото пространство изчезва, широколентова мантия-невидимка може да бъде постигната много по-лесно“, казва Лай. Макар засега работата да е ограничена до звукови вълни, той има амбицията да приложи същия подход и към електромагнитни вълни, включително към видимата светлина.

Докато някои експерти се съмняват, че мантии-невидимки, подобни на тези от научната фантастика, някога ще бъдат практични, Лай вярва, че привидно непреодолимите препятствия ще продължат да се разчупват с напредъка на науката.

„Може би един ден наистина ще открием мантията на Хари Потър“, казва той. „Важно е да продължим да преследваме тази цел.“