9 июня 2009 г.

И снова про шапки-невидимки: можно ли видеть, оставаясь невидимым?

Помнится, в какой-то научно-популярной книжке обсуждался вопрос: может ли видеть человек-невидимка? Ну и утверждалось, что не может, т.к. для того, чтобы видеть, его сетчатка глаз должна поглощать свет, а тогда по крайней мере глаза должны быть видимы.


Это я к чему. Теория (и практика) шапок-невидимок в последние годы активно развивается, и время от времени тут появляются довольно неожиданные результаты. Вот и еще один: в свежем Phys.Rev.Lett., в статье Cloacking a Sensor, рассказывают про способ, как сделать датчик ЭМ волн практически невидимым для постороннего наблюдателя без уменьшения его способности детектировать сигнал. (См. умеренно популярное описание этой работы в Physics 2, 47 (2009), там же есть ссылка на полный текст статьи в свободном доступе).

Всё это звучит так, словно найден способ оставаться невидимым, но при этом видеть свет (т.е. поглощать его), что было бы очень удивительно. На самом деле, как оказалось после прочтения статьи, тут всё не так радужно.

Вообще, "стандартная" шапка-невидимка работает так: тело окружено оболочкой с необычными электромагнитными свойствами, которая как бы обводит падающий свет вокруг тела. Т.е. связи между телом внутри и падающим светом нет, а значит, находящийся внутри сенсор ничего не сможет задетектировать.

Однако это не единственная схема. Можно создать такую оболочку, которая пропускает свет, позволяя ему рассеиваться на теле, но при этом и сама оболочка тоже рассеивает свет, причем строго в противофазе с телом, так что на выходе всё гасится. Именно так, например, можно сделать невидимым тело, находящееся снаружи шапки-невидимки. В этом случае объект внутри уже чувствует падающий свет и может на него реагировать.

Тем не менее, странность всё равно остается, потому что для детектирования (а не просто пассивного рассеяния) требуется поглощать свет, а значит, как минимум отбрасывать тень, т.е. исходное возражение остаётся, и от него, по-видимому, никуда не деться.

Что же тогда утверждается в статье? А в ней, оказывается, речь о довольно специальной ситуации.

Во-первых, сенсор очень маленький, много меньше длины волны (т.е. почти точечный объект с некоторой поляризуемостью). Из-за этого ни о какой настоящей тени нет и речи, а говорится только про упругое рассеяние света.

Во-вторых, рассматривается такая ситуация, при которой упругое рассеяние сенсора намного больше неупругого поглощения. Т.е. сам по себе сенсор виден, не потому что он отбрасывает тень, а потому что он рассеивает свет во все стороны.

И тогда задача формулируется так: как подавить упругое рассеяние ЭМ волн, сохранив при этом сильные ЭМ поля вблизи сенсора и сильный отклик сенсора на них. Ну, как-то с этой задачей справляются, подробности описаны в статье, они простые, но правда работает это всё только на резонансной частоте. Вообще, это бич почти всех шапок-невидимок -- всё отлично работает, но только на выделенной частоте. Чуть отстроили частоту, и невидимость пропадает.

Тут аналогично. Просто сенсор, без шапки-невидимки, обладает таким ЭМ откликом, что резонансный пик упругого рассеяния и пик поглощения (т.е. чувствительности) у него приходятся на одинаковую частоту. Что делает внешняя оболочка, так она из-за взаимной индуктивности с сенсором просто раздвигает эти резонансные пики на разные частоты. В результате, если известна частота падающей ЭМ волны, то можно настроиться пиком поглощения на частоту, а пик упругого рассеяния будет где-то в стороне.


Картина из популярной статьи Physics 2, 47 (2009): вверху график отклика сенсора от частоты, внизу -- график упругого рассеяния, красной линией показана ситуация с сенсором без оболочки, черной сплошной -- с оболочкой. Эта картинка, впрочем, немножко врёт: пик упругого рассеяния не пропал, а просто сместился на другую частоту. В оригинальной статье всё по-честному.
Тогда получится так, что при освещении строго монохроматическим светом специально настроенный сенсор, окруженный в такую оболочку, не будет почти ничего рассеивать, потому что упругого рассеяния почти нет (моделирование показало подавление в тысячи раз), а неупругое (из-за поглощения) как правило очень маленькое. Получается почти невидимость при почти неизменившейся чувствительности.

Ну и второй недостаток: всё это хорошо работает только в стационарном режиме, т.е. для волн, очень медленно меняющихся по амплитуде. Если ЭМ резко включилась или выключилась, то по-видимому, потребуется некоторое время, для того, чтобы все переходные процессы затухли. Если на такую шапку-невидимку послать короткий импульс, то из-за переходных процессов она его прекрасно рассеет.

В общем, идея, конечно, хорошая и действительно может привести к полезным девайсам, но у нее есть и очень жесткие ограничения на применимость. Например, наноразмерный зонд, одетый в капсулу, настроенный на строго монохроматический лазерный свет, действительно может сработать как надо, но спрятаться от активного прощупывания на разных частотах не получится.

3 комментария:

  1. Анонимный10/6/09 12:14

    Небольшие придирки к терминологии :) По-моему, в русском языке уже сформировались два разных понятия: плащ-невидимка (в него надо заворачиваться целиком, как на картинке, и вы неправильно назвали эту ситуацию "стандартной" шапкой-невидимкой), и шапка-невидимка (ее достаточно надеть на голову, а невидимым будешь целиком).

    ОтветитьУдалить
  2. Хорошо, пусть будет плащ-невидимка :)

    ОтветитьУдалить
  3. Анонимный27/12/09 20:02

    Много у вас моделей устройств невидимок предлагаю свою.
    Вокруг тела (которое ми хотим спрятать) надо сделать поле, которое пропускает внутрь свет но не позволяет ему выходить. Кроме того поле распознает откуда и какой свет бил им впитан и создает такой же свет с стороны противоположной относительно впитанного. Создается такое впечатление что тела нет, но при этом свет проходит внутрь оболочки.

    ОтветитьУдалить