Запропоновано модель просторово-часового плаща-невидимки • Юрій Ерін • Новини науки на "Елементи" • Фізика, Оптика

Запропоновано модель просторово-часового плаща-невидимки

Мал. 1. (a) Електромагнітне випромінювання (сині промені), Потрапляючи в двовимірний плащ-невидимку (червона пунктирна окружність), Завдяки спеціально заданому розподілу показника заломлення обходить приховану область (червоне коло), А потім набуває колишній напрям і характеристики. Декартова система координат (x, y) перетворюється в систему координат, в якій колишні криволінійні траєкторії променів стають прямолінійними, а червона область зникає. (b) Принцип роботи просторово-часового плаща-невидимки базується на аналогічному координатном перетворенні, тільки замість (xy) Використовується система координат (xt), Де t – час. Чим менше кут нахилу до осі абсцис (точніше, котангенс цього кута) променів електромагнітного випромінювання для даного значення координатиx, Тим вище швидкість їх руху. справа показано схематичне розподіл інтенсивності випромінювання, що потрапляє в просторово-часовий плащ-невидимку (червона пунктирна окружність) В різні моменти часу. До попадання в пристрій просторовий розподіл інтенсивності випромінювання рівномірний. Завдяки маніпуляціям з временнпрой залежністю показника заломлення починаючи з деякого моменту часу (t3) Інтенсивність випромінювання в області, що відповідає червоному колі, стає нульовою. У ній з'являється можливість здійснювати невипромінюючі дії, які сторонній спостерігач не зможе виявити, оскільки після цього інтенсивність випромінювання "вирівнюється", стаючи просторово однорідної. Зображення з обговорюваної статті в Journal of Optics

Англійські фізики запропонували зовсім нову концепцію плаща-невидимки, що приховує від спостерігача не тільки об'єкти, але і події. За розрахунками вчених, виготовити просторово-часовий плащ-невидимку можна за допомогою штучно створеної речовини (метаматериала), показник заломлення якого змінюється не тільки в просторі (як це реалізовано в "звичайному" плащі-невидимці), але і в часі. Спеціальним чином уповільнюючи і прискорюючи поширення електромагнітного випромінювання в плащі, ці метаматеріали створюють неосвітлену область, в якій протягом обмеженого часу можна здійснювати невипромінюючі дії, непомітні для сторонніх спостерігачів.

У 2006 році Джон Пендрі з колегами опублікував в журналі Science статтю, що описує стратегію створення пристрою, здатного приховати від зовнішнього спостерігача який-небудь об'єкт. З тих пір тема плаща-невидимки стала однією з найбільш "гарячих" в науці. В ідеалі передбачається, що: 1) плащ-невидимка повинен робити невидимим предмет для всього діапазону електромагнітних хвиль (або хоча б для заданого інтервалу – скажімо, для хвиль видимого світла) незалежно від того, під яким кутом ці хвилі "висвітлюють" вкривати предмет , і 2) пройшло через плащ випромінювання не повинно змінювати своїх початкових характеристик (зокрема, інтенсивності). Теоретичні дослідження показали, що вирішити ці два завдання можна за допомогою метаматеріалів – штучно створених речовин із заданим розподілом діелектричної та магнітної проникності (квадратний корінь з їх добутку дорівнює показнику заломлення). Завдяки цьому електромагнітне випромінювання в плащі-невидимці "обходить" вкривати їм об'єкт і потім відновлює свій первісний напрямок і властивості (рис. 1a). А сторонньому спостерігачеві здається, що електромагнітні хвилі ніяких перешкод на своєму шляху не зустрічали.

Хоча ідеальний плащ-невидимка поки не створено, певні успіхи в рішенні цієї проблеми вже є. Наприклад, навесні цього року вчені з Англії і Німеччини спроектували плащ-невидимку (див. Створено тривимірний плащ-невидимка, що працює в широкому інфрачервоному діапазоні, "Елементи", 23.03.2010), який може вкрити об'єкт у досить широкій смузі інфрачервоного випромінювання і до того ж за певних умов робить це вже не на площині, а в просторі. Нещодавно інша команда дослідників, з Шотландії, повідомила про отримання гнучких (Раніше метаматеріали були жорсткими структурами) і практично прозорих метаматеріалів, які, можливо, стануть основою для плаща-невидимки, який працює у видимому оптичному діапазоні.

Але цей напрямок фізики, незважаючи на можливі побоювання, все ж не стало чисто прикладних. Підтвердження цьому – стаття команди фізиків-теоретиків з Англії A spacetime cloak, or a history editor, опублікована в Journal of Optics. Вчені запропонували зовсім іншу концепцію маскує пристрої – плащ, вміє приховувати не тільки об'єкти в просторі, але і виникають в часі події (просторово-часовий плащ-невидимка).

З математичної точки зору створення звичайного (просторового) плаща-невидимки зводиться до задачі з пошуку перетворення, що переводить декартову систему координат (x, y) В якусь систему координат (x ', y '), В якій криволінійні траєкторії руху променів стануть прямими лініями, а приховуваний об'єкт (кругла червона область на рис. 1a) просто-напросто зникне. Результатом цього пошуку будуть коефіцієнти, що зв'язують старі декартові координати (x, y) З новими (x ', y ').

Далі за допомогою рівнянь Максвелла, які характеризують електричні і магнітні властивості електромагнітних хвиль, що рухаються в будь-якому речовині, знайдені коефіцієнти інтерпретуються як діелектрична і магнітна проникності речовини плаща-невидимки. Іншими словами, формули, що описують перехід від системи координат (x ', y ') До (x, y) Допомагають визначити бажане розподіл показника заломлення метаматериала, рухаючись через який промені будуть обходити область маскування – круглу червону область на рис. 1a. Відзначимо, що описана процедура легко може бути розширена і на трёхмеріе: зв'язок між системами координат (x ', y ', z ') І (x, y, z) І, відповідно, розподіл діелектричної та магнітної проникності шукається аналогічним чином.

По суті, така ж математика має місце у випадку з просторово-тимчасовим плащем-невидимкою. Єдина відмінність в тому, що одна з просторових координат замінюється (або в найзагальнішому випадку додається) координатою "час". Автори статті поміняли координату y і y ' на t і t ' (t і t ' означають час) відповідно, обмежили "руками" для спрощення розрахунків поширення електромагнітного випромінювання уздовж осі x (Таке випромінювання у фізиці називається коллімірованним) і вирішували проблему пошуку співвідношень між системами координат (x, t) І (x ', t '); Мал. 1b. Ніяких принципових заборон на введення ще двох координат y і z немає, тому електромагнітні хвилі не обов'язково повинні рухатися тільки вздовж однієї осі.

На фізичному рівні пошук перетворення (x, t) → (x ', t ') Означає, що плащ-невидимка тепер буде конструюватися з метаматеріалів з показником заломлення, мінливим не тільки в просторі, але ще і в часі. Принцип роботи просторово-часового плаща-невидимки такий: електромагнітне випромінювання, що падає на маскує пристрій, розділяється на дві частини.Як тільки передня частина променів "увійшла" в плащ-невидимку, його показник заломлення починає зменшуватися. Оскільки швидкість руху хвиль в середовищі дорівнює швидкості світла у вакуумі, поділеній на показник заломлення, метаматериал прискорює рух передньої частини променів і "проштовхує" їх далі по осі x.

Тим часом ділянку плаща, який вже прискорив першу частину випромінювання, перебудовується так, що його показник заломлення стає більше, і увійшла в плащ друга частина променів починає сповільнюватися. Завдяки такому динамічному поведінки показника заломлення, між двома частинами випромінювання виникає неосвітлене простір, в яке можна помістити приховану область. У ній можна здійснювати будь-невипромінюючі дію, яке згодом виявити буде неможливо. Зрозуміло, ця область працює (приховує об'єкти і події) обмежений час, який визначається виключно характеристиками плаща-невидимки, його розміром і здатністю уповільнювати / прискорювати електромагнітну хвилю.

Після того як всі бажані дії в маскируемое ділянці простору були виконані, показник заломлення знову змінюється в часі.Задня частина променів тепер штучно прискорюється плащем-невидимкою, передня частина в цей же час сповільнюється. На заключному етапі роботи плаща-невидимки дві частини "розірваного" випромінювання наздоганяють одне одного і об'єднуються так, що на виході з пристрою промені відновлюють свої первинні властивості. В результаті електромагнітне випромінювання не буде нести інформацію про події, що сталися на його шляху, і сторонньому спостерігачеві здасться, що вздовж осі x нічого не відбувалося. Більш того, оскільки випромінювання коллімірованним, від сторонніх очей можна приховати всі події, що відбуваються в площинах, що перетинають замасковану область і перпендикулярні осі x.

Розглядаючи вставки зліва на рис. 1b, можна подумати, що деякі з променів (наприклад, промінь A) мають швидкість руху в плащі-невидимці більшу, ніж швидкість світла у вакуумі, що, як відомо, порушує теорію відносності. Насправді, ніяких протиріч немає. Представляючи випромінювання у вигляді променів, не можна забувати також і про його хвильову природу. В даному випадку правильніше говорити про фазової швидкості руху електромагнітних хвиль. А так як фазова швидкість хвилі визначає лише швидкість поширення її фронту, Тобто нефізичного об'єкта, процес роботи просторово-часового плаща-невидимки цілком узгоджується з теорією відносності. Точно так же немає нічого дивного в тому, що промінь B рухається "назад в часі". Тут має місце лише негативна фазова швидкість електромагнітної хвилі – буденне явище при поширенні випромінювання в метаматеріалів (див. Статтю Джона Пендрі і Девіда Сміта "У пошуках суперлінзи" в журналі "У світі науки", №11, 2006).

У своїй статті вчені наводять кілька прикладів можливого використання просторово-часового плаща-невидимки. Ось один з них. Припустимо, злодій-ведмежатник хоче розкрити сейф в кімнаті, що знаходиться під постійним наглядом відеокамер. Використовуючи запропоноване вченими пристрій, він може створити собі в приміщенні, де знаходиться сейф, просторово-часовий коридор, в якому він відкриває сейф, забирає його вміст, закриває його і забирається геть. Протягом всього часу, поки працював просторово-часовий плащ-невидимка, відеокамера буде показувати, що сейф нікуди не зникав, до нього ніхто не наближався і не порушував його цілісності.Для порівняння: якщо б грабіжник користувався звичайним просторовим плащем-невидимкою, то відеокамера показала б, що на деякий проміжок часу сейф зник з поля зору, а потім з'явився знову.

Мал. 2. Просторово-часовий плащ може створити для стороннього спостерігача, що знаходиться в точці O, ілюзію миттєвого переміщення невипромінюючі об'єкта з точки A в точку B. Малюнок з обговорюваної статті в Journal of Optics

Зрозуміло, автори пропонують і некримінальні варіанти використання свого винаходу. Наприклад, з його допомогою можна створити ілюзію пристрої для телепортації об'єктів (рис. 2). Сторонньому спостерігачеві буде здаватися, що неизлучающий предмет, що знаходився в точці A і під прикриттям просторово-часового плаща-невидимки змістився в точку B (в напрямку, перпендикулярному осі x), Подолав відрізок AB миттєво.

Чи буде здійснена практична реалізація просторово-часового плаща-невидимки, сказати складно. Треба сказати, що перший крок на цьому шляху вже зроблено. У 2009 році група фінських вчених запропонувала виготовляти метаматеріали із змінним в часі показником заломлення на основі мікроструктур з феритових кульок,з'єднаних з металевими пластинами спеціальної форми і розмірів (див. доповідь Сергія Третьякова на міжнародній конференції "Metamaterials'2009"). Так що не виключено, що описана тут модель просторово-часового плаща-невидимки, надихне матеріалознавців на отримання речовин з потрібними характеристиками.

джерело: Martin W. McCall, Alberto Favaro, Paul Kinsler, Allan Boardman. A spacetime cloak, or a history editor // Journal of Optics. 13, 024 003 (16 November 2010).

Юрій Ерін


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: