У серіалі «Зоряний шлях IV: Подорож додому» екіпаж «Ентерпрайза» захоплює бойовий крейсер клінгонов. На відміну від кораблів Зоряного флоту Федерації, кораблі Клингонской імперії обладнані секретним «маскуючим пристроєм, здатним зробити їх невидимими для ока і радара. Цей пристрій дозволяє клингонским кораблям заходити непоміченими в хвіст кораблям Федерації і безкарно завдавати перший удар. Завдяки маскирующему пристрою Клингонская імперія має перед Федерацією планет стратегічну перевагу.

Можливо насправді такий пристрій? Невидимість давно стала одним із звичних чудес науково-фантастичних та фентезійних творів - від «Людини-невидимки» до чарівного плаща-невидимки Гаррі Поттера або кільця з «Володаря кілець». Тим не менш протягом принаймні сто років фізики дружно заперечили можливість створення плащів-невидимок і однозначно заявляли, що це неможливо: плащі-де порушують закони оптики і не узгоджуються ні з одним з відомих властивостей речовини.

Але сьогодні неможливе може стати можливим. Досягнення в області «метаматеріалів» змушують значною мірою переглянути підручники оптики. Створені в лабораторії робочі зразки таких матеріалів викликають живий інтерес засобів масової інформації, виробничників і військових; всім цікаво, як видиме зробити невидимим.
Невидимість в історії

Невидимість, можливо, одна з найстаріших концепцій давньої міфології. З початку часів людина, залишившись один у лякаючою тиші ночі, відчував присутність невидимих істот і боявся їх. Всюди навколо нього в темряві таїлися духи мертвих - душі тих, хто пішов до нього. Грецький герой Персей, озброївшись шоломом-невидимкою, зумів вбити злісну горгону Медузу. Генерали всіх часів мріяли про маскирующем пристрої, яке дозволило б стати невидимим для ворога. Користуючись невидимістю, можна було б легко проникнути за лінію оборони ворога і застати його зненацька. Злочинці могли б використовувати невидимість для вчинення зухвалих пограбувань.

В теорії етики і моралі Платона невидимість грала головну роль.[2] У своєму філософському праці «Держава» Платон повідав нам міф про кільці Гіга. У цьому міфі бідний, але чесний пастух Гіг з Лідії проникає в таємну печеру і знаходить там гробницю; у трупа на пальці він бачить золоте кільце. Далі Гіг виявляє, що кільце має чарівну силу і може робити його невидимим. Бідний пастух буквально п'яніє від влади, яку дала йому перстень. Пробравшись в царський палац, Гіг за допомогою кільця спокушає царицю, потім з її допомогою вбиває царя і стає наступним царем Лідії.

Мораль, яку Платон вивів з цієї історії, полягає в тому, що жодна людина не в змозі встояти перед спокусою брати чуже і вбивати безкарно. Люди слабкі, а мораль - соціальне явище, яке необхідно насаджувати і підтримувати ззовні. На публіці людина може дотримуватися норм моралі, щоб виглядати порядною і чесною і підтримувати власну репутацію, але варто дати йому можливість ставати невидимим, і він не зможе втриматися і неодмінно скористається своїм новим могутністю. (Деякі вважають, що саме ця притча про мораль надихнула Дж.Р.Р. Толкіна на створення трилогії «Володар кілець»; кільце, що робить свого власника невидимим, одночасно є джерелом зла.)

В науковій фантастиці невидимість - один із звичайних рушіїв сюжету. У серії коміксів 1930-х рр. «Флеш Гордон» Флеш стає невидимим, щоб сховатися від розстрільної команди негідника Мінга Безжального. У романах і фільмах про Гаррі Поттера головний герой, накинувши чарівний плащ, може непоміченим бродити по Хогвартскому замку.

Герберт Уеллс у класичному романі «Людина-невидимка» втілив у конкретну форму приблизно ті ж ідеї. У цьому романі студент-медик випадково відкриває можливості четвертого виміру і стає невидимим. До нещастя, він використовує отримані фантастичні можливості в особистих цілях, здійснює цілу низку дрібних злочинів і врешті-решт гине у відчайдушній спробі втекти від поліції.
Рівняння Максвелла і таємниця світла

Фізики отримали скільки-небудь чітке уявлення про закони оптики відносно недавно в результаті робіт шотландця Джеймса Клерка Максвелла, одного з гігантів фізики XIX ст. В певному сенсі Максвелл був повною протилежністю Фарадей. Якщо Фарадей володів чудовим чуттям експериментатора, але не мав ніякої освіти, то його сучасник Максвелл був магістром вищої математики. Він з відзнакою пройшов навчання з курсу математичної фізики в Кембриджі, де за два століття до нього працював Ісаак Ньютон.

Ньютон придумав диференціальне числення - воно описує мовою диференціальних рівнянь, як об'єкти безупинно зазнають нескінченно малі зміни в часі і просторі. Рух океанських хвиль, рідин, газів і гарматних ядер - все це може бути описано на мові диференціальних рівнянь. Максвелл почав працювати, перед собою ясну мету: висловити революційні відкриття Фарадея та його фізичні поля за допомогою точних диференціальних рівнянь.

Максвелл почав з твердження Фарадея про те, що електричні поля можуть перетворюватися на магнітні і навпаки. Він взяв намальовані Фарадеєм картини фізичних полів і записав їх на точному мовою диференціальних рівнянь. В результаті була отримана одна з найважливіших у сучасній науці систем рівнянь. Це система з восьми диференціальних рівнянь досить моторошного вигляду. Кожному фізику і інженеру у світі довелося у свій час попотіти над ними, освоюючи в інституті електромагнетизм.

Далі Максвелл поставив собі доленосне питання: якщо магнітне поле може перетворюватися в електричну і навпаки, те що відбувається, якщо вони постійно переходять одне в інше в нескінченній низці перетворень? Максвелл виявив, що таке електромагнітне полі породить хвилю, подібну океанської. Він обчислив швидкість руху таких хвиль і, на власний подив, виявив, що вона дорівнює швидкості світла! У 1864 р., виявивши цей факт, він пророчо написав: «Ця швидкість настільки близька до швидкості світла, що ми, очевидно, маємо всі підстави зробити висновок про те, що сам світ... являє собою електромагнітне обурення».

Це відкриття стало, можливо, одним з найбільших в історії людства - була нарешті розкрита таємниця світла! Максвелл раптово зрозумів, що все - і сяйво літнього сходу, і люті промені призахідного сонця, і сліпучі кольору веселки, і зірки на нічному небосхилі - можна описати за допомогою хвиль, які він недбало зобразив на клаптику паперу. Сьогодні ми розуміємо, що весь електромагнітний спектр: сигнали радарів, мікрохвильове випромінювання і телевізійні хвилі, інфрачервоне, видиме і ультрафіолетове світло, рентгенівські і гамма-промені - це не що інше, як максвелловы водны; а ті, у свою чергу, являють собою вібрації фарадееві фізичних полів.

Говорячи про значення рівнянь Максвелла, Ейнштейн писав, що це «саме глибоке й плідне, що довелося випробувати фізики з часів Ньютона».

(Трагічно, але Максвелл, один з найвидатніших фізиків XIX століття, помер досить молодим, у віці 48 років від раку шлунка - ймовірно, тієї ж хвороби, що вбила його мати в цьому ж віці. Проживи він довше, і можливо, йому вдалося б виявити, що отримані їм рівняння допускають викривлення простору-часу, і це призвело б прямо до теорії відносності Ейнштейна. Думка про те, що проживи Максвелл довше, і теорія відносності могла б з'явитися під час Громадянської війни в Америці, потрясає до глибини душі.)

Максвеллова теорія світла і атомна теорія будови речовини дають оптиці і невидимості просте пояснення. У твердому тілі атоми щільно упаковані, тоді як в рідині або газі відстані між молекулами набагато більше. Більшість твердих тіл непрозорі, так як промені світла не можуть пройти через щільний лад атомів, який грає роль цегляної стіни. Багато рідини і гази, навпаки, прозорі, тому що світла простіше пройти між рідкісними атомами, відстані між якими більше, ніж довжина хвилі видимого світла. Наприклад, вода, спирт, аміак, ацетон, перекис водню, бензин та інші рідини прозорі, як прозорі і гази, такі як кисень, водень, азот, вуглекислий газ, метан і т, п.

З цього правила існує декілька важливих винятків. Багато кристали одночасно тверді і прозорі. Але атоми в кристалі розташовуються у вузлах правильної просторової решітки і утворюють регулярні ряди з однаковими інтервалами між ними. В результаті в кристалічній решітці завжди багато шляхів, по яких промінь світла може пройти крізь неї. Тому, хоча атоми в кристалі упаковані не менш щільно, ніж в будь-якому іншому твердому тілі, світ все ж здатний проникати крізь нього.

За певних обставин навіть твердий об'єкт з випадково розташованими атомами може стати прозорим. Такого ефекту для деяких матеріалів можна домогтися, якщо нагріти об'єкт до високої температури, а потім різко охолодити. Приміром, скло - тверде тіло, що володіє з-за випадкового розташування атомів багатьма властивостями рідини. Деякі льодяники теж можна таким чином зробити прозорими.

Очевидно, властивість невидимості виникає на атомному уровні, відповідно до рівнянь Максвелла, і тому його надзвичайно важко, якщо взагалі можливо, відтворити звичайними методами. Щоб зробити Гаррі Поттера невидимим, його доведеться перевести в рідкий стан, закип'ятити і перетворити в пар, кристалізувати, нагріти і охолодити - погодьтеся, будь-яка з цих дій було б досить складним навіть для чарівника.

Військові, опинившись не в змозі побудувати невидимі літаки, спробували зробити більш просту річ: створили технологію «стелі», яка робить літаки невидимими для радарів. Технологія «стелі», спираючись на рівняння Максвелла, робить серію фокусів. Реактивний винищувач «стелі» легко побачити неозброєним оком, зате на екрані ворожого радара його зображення за розміром приблизно відповідає великої птиці. (Насправді технологія «стелі» являє собою поєднання декількох абсолютно різних фокусів. По можливості матеріали конструкції винищувача замінюються на прозорі для радара: замість сталі використовуються різні пластики і смоли; змінюються кути фюзеляжу; змінюється конструкція сопла двигуна і т.д. В результаті всіх цих хитрувань можна змусити радарний промінь противника, який потрапив в літак, розсіюватися у всіх напрямках і не повертатися в приймальний пристрій. Але навіть із застосуванням цієї технології винищувач не стає абсолютно невидимим; просто його корпус відхиляє і розсіює радарний промінь настільки, наскільки це технічно можливо.)
Метаматеріали і невидимість

Можливо, самим багатообіцяючим щодо невидимості з недавніх досягнень є екзотичний новий матеріал, відомий як «метаматеріал»; не виключено, що коли-небудь він зробить об'єкти насправді невидимими. Забавно, але коли-то існування метаматеріалів також вважалося неможливим, оскільки вони порушують закони оптики. Але в 2006 р. дослідники з Університету Дьюка в Даремі (штат Північна Кароліна) і Імперського коледжу в Лондоні успішно спростували це загальноприйнята думка і за допомогою метаматеріалів зробили об'єкт невидимим для мікрохвильового випромінювання. Перешкод на цьому шляху поки вистачає, але вперше в історії людства з'явилась методика, що дозволяє робити звичайні об'єкти невидимими. (Фінансувала ці дослідження DARPA - Агентство перспективних дослідницьких проектів Міноборони США.)

Натан Мірволд, колишній головний технолог фірми Microsoft, стверджує, що революційні можливості метаматеріалів «повністю змінять наш підхід до оптики і до майже всіх аспектів електроніки... Деякі з метаматеріалів здатні на такі подвиги, які кілька десятиліть тому здалося би дивом»

Що являють собою метаматеріали? Це речовини, що володіють неіснуючими в природі оптичними властивостями. При створенні метаматеріалів в речовину впроваджуються крихітні імплантати, які змушують електромагнітні хвилі вибирати нестандартні шляхи. В Університеті Дьюка вчені впровадили в мідні стрічки, укладені плоскими концентричними колами (все це трохи нагадує за конструкцією конфорку електроплитки), безліч крихітних електричних контурів. Результатом стала складна структура з кераміки, тефлону, композитних волокон і металевих компонентів. Крихітні імплантати, присутні в міді, дають можливість відхиляти мікрохвильове випромінювання і направляти його по заданому шляху. Уявіть собі, як ріка, обтікає валун. Вода дуже швидко обертається навколо каменю, тому нижче за течією його присутність ніяк не позначається і виявити його неможливо. Точно так само метаматеріали здатні безперервно змінювати маршрут мікрохвиль таким чином, щоб вони обтікали, скажімо, якийсь циліндр і тим самим робили все всередині цього циліндра невидимим для радіохвиль. Якщо метаматеріал зможе до того ж усунути всі відображення і тіні, то об'єкт стане повністю невидимим для цієї форми випромінювання.

Вчені успішно продемонстрували цей принцип за допомогою пристрою, що складається з десяти кілець зі скловолокна, покритих мідними елементами. Мідне кільце всередині пристрою було майже невидимим для мікрохвильового випромінювання; воно лише відкидало слабку тінь.

Незвичайні властивості метаматеріалів базуються на здатності керувати параметром, відомим як «показник заломлення». Заломлення - властивість світла змінювати напрямок поширення при проходженні через прозорий матеріал. Якщо опустити руку в воду або просто подивитися через лінзи окулярів, можна помітити, що вода і скло відхиляють і спотворюють хід променів звичайного світла.

Причина відхилення світлового променя в склі або воді полягає в тому, що при вході в щільний прозорий матеріал світло сповільнюється. Швидкість світла в ідеальному вакуумі постійна, але в склі або воді світло «провалюється» через скупчення трильйонів атомів і тому сповільнюється. (Відношення швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в середовищі називається показником заломлення. Оскільки світло в будь-якому середовищі сповільнюється, показник заломлення завжди більше одиниці.) Наприклад, показник заломлення для вакууму складає 1,00; для повітря -1,0003; для скла-1,5; для діаманта-2,4. Як правило, чим щільніше середовище, тим сильніше вона відхиляє промінь світла і тим більше, відповідно, показник заломлення.

Дуже наочною демонстрацією явищ, пов'язаних із заломленням, можуть послужити міражі. Якщо ви, проїжджаючи шосе в спекотний день, будете дивитися прямо вперед, на обрій, то дорога місцями здасться вам мерехтливої і створить ілюзію блискучою водної гладі. В пустелі іноді можна побачити на горизонті обриси далеких міст і гір. Відбувається це тому, що нагріте над дорожнім полотном або піском пустелі повітря має більш низьку щільність і, відповідно, більш низький показник заломлення, ніж навколишній його звичайний, більш прохолодне повітря; тому світло від віддалених об'єктів може випробувати заломлення в нагрітому шарі повітря і потрапити після цього в око; при цьому у вас виникає ілюзія того, що ви дійсно бачите віддалені об'єкти.

Як правило, показник заломлення - величина постійна. Вузький промінь світла, проникаючи в скло, змінює напрямок, а потім продовжує рухатися по прямій. Але припустімо на мить, що ми в змозі управляти показником заломлення, так щоб в кожній точці скла він міг постійно змінюватися заданим чином, Світло, рухаючись в такому новому матеріалі, міг би довільним чином змінювати напрямок; шлях променя в цьому середовищі звивався б, подібно до змії.

Якщо б можна було керувати показником заломлення в метаматеріали так, щоб світло огинав якийсь об'єкт, то цей об'єкт стане невидимим. Для отримання такого ефекту показник заломлення в метаматеріали повинен бути негативним, але в будь-якому підручнику оптики сказано, що це неможливо,

(Вперше метаматеріали були теоретично передбачені в роботі радянського фізика Віктора Веселаго в 1967 р. Саме Веселаго показав, що ці матеріали повинні володіти такими незвичайними оптичними властивостями, як негативний показник заломлення і зворотний ефект Доплера. Метаматеріали представляються настільки дивними і навіть безглуздими, що перший час їх практична реалізація вважалася просто неможливою. Однак в останні кілька років метаматеріали були-таки отримані в лабораторії, що змусило фізиків зайнятися переписуванням підручників з оптики.)

Дослідникам, які займаються мета матеріалами, постійно докучають журналісти з питанням: коли на ринку з'являться нарешті плащі-невидимки? Відповідь можна сформулювати дуже просто: не скоро.

Девід Сміт з Університету Дьюка розповідає: «Репортери дзвонять і благають хоча б назвати термін. Через скільки місяців або, скажімо, років це станеться. Вони тиснуть, тиснуть і тиснуть, і ти врешті-решт не витримуєш і кажеш, що літ, може, через п'ятнадцять. І тут же - газетний заголовок, так? П'ятнадцять років до плаща Гаррі Поттера». Ось чому він тепер відмовляється називати будь-які терміни.

Шанувальникам Гаррі Поттера або «Зоряного шляху», швидше за все, доведеться почекати. Хоча цей плащ-невидимка вже не суперечить відомим законам природи - а з цим наразі погоджується більшість фізиків, - ученим належить подолати ще багато складних технічних перешкод, перш ніж цю технологію можна буде поширити на роботу з видимим світлом, а не тільки з мікрохвильовим випромінюванням.

У загальному випадку розміри внутрішніх структур, впроваджених в метаматеріал, повинні бути менше довжини хвилі випромінювання. Приміром, мікрохвилі можуть мати довжину хвилі близько 3 см, тому якщо ми хочемо, щоб метаматеріал искривлял шлях мікрохвиль, ми повинні впровадити в нього імплантати розміром менше 3 див. Але щоб зробити об'єкт невидимим для зеленого світла (з довжиною хвилі 500 нм), метаматеріал повинен мати вбудовані структури завдовжки всього близько 50 нм. Але нанометры - це вже атомний масштаб, для роботи з такими розмірами потрібні нанотехнології. (Нанометр - це одна мільярдна частина метра. В одному нанометре може вміститися приблизно п'ять атомів.) Можливо, це ключова проблема, з якою нам доведеться зіткнутися при створенні цього плаща-невидимки. Щоб довільно викривляти, подібно до змії, шлях світлового променя, нам довелося б модифікувати окремі атоми всередині метаматеріалу.
Метаматеріали для видимого світла

Отже, гонка почалася.

Відразу ж після оголошення про отримання в лабораторії перших метаматеріалів в цій області почалася гарячкова активність. Кожні кілька місяців ми чуємо про революційних здогадах і вражаючих прориви. Мета зрозуміла: створити за допомогою нанотехнології метаматеріали, здатні викривляти не тільки мікрохвилі, але і видиме світло. Вже запропоновано кілька підходів, і всі вони представляються досить перспективними.

Одна з пропозицій полягає в тому, щоб використовувати готові методи, тобто запозичити для виробництва метаматеріалів відпрацьовані технології мікроелектронної промисловості. Наприклад, в основі мініатюризації комп'ютерів лежить технологія «фотолітографії»; вона ж служить двигуном комп'ютерної революції. Ця технологія дозволяє інженерам розміщувати на кремнієвій підкладці розміром з ніготь великого пальця сотні мільйонів крихітних транзисторів.

Потужність комп'ютерів подвоюється кожні 18 місяців (цю закономірність називають законом Мура). Відбувається це завдяки тому, що вчені за допомогою ультрафіолетового випромінювання «витравлюють» на кремнієвих чіпах все більш і більш дрібні компоненти. Ця технологія дуже нагадує процес, за допомогою якого наносять малюнок по трафарету на квітчасту футболку. (Інженери-комп'ютерники починають з тонкою підкладки, на яку зверху накладаються найтонші шари різних матеріалів. Потім підкладка накривається пластикової маскою, яка працює як шаблон. На маску заздалегідь наноситься складний малюнок провідників, транзисторів і комп'ютерних компонентів, складових основу принципової схеми. Заготівлю опромінюють жорстким ультрафіолетом, тобто піддають дії ультрафіолетового випромінювання з дуже малою довжиною хвилі; це випромінювання як би переносить малюнок матриці на світлочутливу підкладку. Потім заготовку обробляють спеціальними газами і кислотами, і складна схема матриці витравлюється на підкладці в тих місцях, де вона піддавалася дії ультрафіолетового випромінювання. В результаті цього процесу виходить платівка з сотнями мільйонів крихітних заглиблень, які і утворюють контури транзисторів.) В даний час найбільш дрібні компоненти, які вдається створити за допомогою описаного процесу, мають розмір близько 30 нм (або приблизно 150 атомів).

Помітною віхою на шляху до невидимості став недавній експеримент групи вчених з Німеччини та Міністерства енергетики США, в якому процес травлення кремнієвої підкладки вдалося використати для виготовлення першого метаматеріалу, здатного працювати у видимому діапазоні світла. На початку 2007 р. вчені оголосили, що створений ними метаматеріал впливає на червоне світло. «Неможливе» було реалізовано в дивно короткі строки.

Фізик Костас Сукулис з Лабораторії Еймса і Університету штату Айова разом зі Стефаном Лінденом, Мартіном Вегенером і Гуннаром Доллингом з Університету Карлсруе в Німеччині зуміли створити метаматеріал з показником заломлення -0,6 для червоного світла з довжиною хвилі 780 нм. (До цього світовий рекорд довжини хвилі випромінювання, яке вдалося «загорнути» за допомогою метаматеріалу, становив 1400 нм; це вже не видимий, а інфрачервоне світло.)

Для початку вчені взяли лист скла і нанесли на нього тонкий шар срібла, потім шар фториду магнію, потім знову шар срібла; таким чином, було отримано «сендвіч» з фторидом товщиною 100 нм. Після цього вчені за допомогою стандартної технології травлення проробили в цьому «сендвічі» безліч крихітних квадратних отворів (завширшки всього 100 нм, набагато менше довжини хвилі червоного світла); в результаті вийшла гратчаста структура, що нагадує рибальську мережу. Потім вони пропустили через отриманий матеріал промінь червоного світла і виміряли показник заломлення, який склав -0,6.

Автори передбачають, що винайдена ними технологія знайде широке застосування. Метаматеріали можуть коли-небудь привести до створення свого роду плоскої суперлінзи, що працює у видимій частині спектру, - говорить д-р Сукулис. - Така лінза дозволить отримувати більш високу роздільну здатність у порівнянні з традиційною технологією і розрізняти деталі, значно поступаються за розмірами довжині світлової хвилі». Очевидно, одним з перших додатків «суперлінзи» стане фотографування мікроскопічних об'єктів з неперевершеною чіткістю; мова може йти про фотографуванні усередині живої людської клітини або про діагностиці захворювань плоду в утробі матері. В ідеалі з'явиться можливість сфотографувати компоненти молекули ДНК безпосередньо, без застосування грубих методів рентгенівської кристалографії.

Поки що вченим вдалося продемонструвати негативний показник заломлення тільки для червоного світла. Але метод треба розвивати, і наступним кроком має стати створення метаматеріалу, який міг би повністю обвести красний луч навколо об'єкта, зробивши його невидимим для червоного світла.

Подальший розвиток можна очікувати також в області «фотонних кристалів». Мета технології фотонних кристалів - створити чіп, який використав би для обробки інформації світло, а не електрика. Передбачається застосувати нанотехнології для витравлювання на підкладці крихітних компонентів - так, щоб з кожним компонентом змінювався показник заломлення. Транзистори, в яких працює світло, мають чимало переваг перед електронними. Приміром, у фотонних кристалах значно менші теплові втрати. (У складних кремнієвих чіпах виділяється стільки тепла, що вистачило б підсмажити яєчню. Щоб такі чіпи не відмовляли, їх необхідно безперервно охолоджувати, а це дуже дорого.)

Немає нічого дивного в тому, що технологія отримання фотонних кристалів повинна ідеально підійти для мета-матеріалів, - адже обидві технології припускають маніпулювання показником заломлення світла на нанорівні.
Невидимість через плазмонику

Не бажаючи відставати від суперників, інша група фізиків оголосила в середині 2007 р. про створення метаматеріалу, здатного повернути видиме світло, на базі абсолютно іншої технології, що отримала назву «плазмоника». Фізики Анрі Лезек, Дженніфер Дионн і Гаррі Этуотер з Каліфорнійського технологічного інституту оголосили про створення метаматеріалу, що володіє негативним показником заломлення для більш складною синьо-зеленій області видимого спектру.

Мета плазмоники - таким чином «стиснути» світло, щоб можна було маніпулювати об'єктами у наномасштабі, особливо на поверхні металів. Причина електропровідності металів криється в тому, що електрони в атомах металів слабо зв'язані з ядром і можуть вільно пересуватися вздовж поверхні металевої решітки. Електрика, що йде по проводах у вас вдома, являє собою плавний потік цих слабко зв'язаних електронів по металевій поверхні. Але при певних умовах, коли промінь світла стикається з металевою поверхнею, електрони можуть завибрировать в унісон зі світлом. При цьому на поверхні металу виникають хвилеподібні руху електронів (ці хвилі називають плазмонами) в такт з коливаннями електромагнітного поля над металом. Що ще важливіше, ці плазмоны можна «стиснути» - при цьому вони будуть мати ту ж частоту, що і початковий світловий промінь (а значить, будуть нести ту ж інформацію), але значно меншу довжину хвилі. В принципі потім ці стислі хвилі можна втиснути в нанопроводники. Як і у випадку фотонних кристалів, кінцева мета плазмоники - створення комп'ютерних чіпів, в яких працює не електрика, а світло.

Група з Каліфорнійського технологічного побудувала свій метаматеріал з двох шарів срібла і азотно-кремнієвого ізолюючого шару (товщиною 50 нм) між ними. Цей шар діє як «хвилевід», здатний направити плазмонні хвилі в потрібну сторону. Через щілину, прорізану в метаматеріали, пристрій проникає лазерний промінь; він проходить по хвилеводу, а потім виходить через другу щілину. Якщо проаналізувати кути, на які згинається лазерний промінь при проходженні через метаматеріал, можна встановити, що матеріал має від'ємним показником заломлення для світла з даною довжиною хвилі.
Майбутнє метаматеріалів

Просування в дослідженні метаматеріалів в майбутньому буде прискорюватися з тієї простої причини, що вже зараз інтерес до створення транзисторів, які працювали б на світловому промені замість електрики, дуже великий. Тому можна припустити, що дослідження в області невидимості зможуть під'їхати на попутці», тобто скористатися результатами вже йдуть досліджень по створенню заміни кремниевому чіпу за допомогою фотонних кристалів і плазмоники. Вже сьогодні в розробку технології, покликаної замінити кремнієві чіпи, вкладають сотні мільйонів доларів, а попутно виграють і дослідження в області метаматеріалів.

В даний час нові серйозні відкриття в цій області відбуваються кожні кілька місяців, тому не дивно, що деякі фізики очікують появи в лабораторії перших зразків реального щита невидимості вже через кілька десятиліть. Так, вчені впевнені в тому, що зуміють в найближчі кілька років створити метаматеріали, здатні зробити об'єкт повністю невидимим, принаймні у двох вимірах, для видимого світла будь-якої конкретної частоти. Щоб домогтися такого ефекту, необхідно буде впровадити в метаматеріал крихітні наноімплантати не правильними рядами, а по складному малюнку, так щоб в результаті світло плавно огинав приховує об'єкт.

Далі вченим доведеться винайти і створити метаматеріали, здатні згинати світ у трьох вимірах, а не тільки на двовимірних плоских поверхнях. Фотолітографія - відпрацьована технологія для отримання плоских кремнієвих схем; створення тривимірних метаматеріалів потребує як мінімум складною компонування декількох плоских схем.

Після цього вченим доведеться вирішити проблему створення метаматеріалів, згинаючих світло не однієї частоти, а декількох - або, скажімо, смуги частот. Це, можливо, виявиться найбільш складним завданням, тому що всі розроблені досі крихітні імплантати відхиляють світло тільки однією точно заданої частоти. Можливо, вченим доведеться зайнятися багатошаровими метаматериалами, де кожен шар буде діяти на одну конкретну частоту. Поки не ясно, яким буде рішення цієї проблеми.

Але щит невидимості, навіть будучи нарешті створений в лабораторії, може виявитися зовсім не таким, як нам хочеться скорішецього, це буде важкий і неповороткий пристрій. Плащ Гаррі Поттера був зшитий з тонкої м'якої тканини і при цьому робив будь-якого, хто завернется в нього, невидимим. Але щоб такий ефект був можливий, показник заломлення всередині тканини повинен постійно змінюватися складним чином у відповідності з коливаннями тканини і рухами людини. Це непрактично. Швидше за все, плащ-невидимка, принаймні спочатку, буде представляти собою твердий циліндр з метаматеріалу. В цьому випадку показник заломлення всередині циліндра можна буде зробити постійним. (У більш просунутих моделях з часом можуть з'явитися гнучкі метаматеріали, здатні згинатися і при цьому утримувати світло всередині себе на правильному шляху. Тоді той, хто буде знаходитися всередині «плаща», отримає деяку свободу рухів.)

У щита невидимості є один недолік, на який вже неодноразово вказували: той, хто знаходиться всередині, не зможе виглянути назовні, не ставши при цьому видимим. Уявіть собі Гаррі Поттера, у якого видимими залишилися тільки очі; при цьому вони як би пливуть по повітрю на відповідній висоті. Будь-які отвори для очей в плащі-невидимці були б чітко видно зовні. Якщо ж зробити Гаррі Поттера абсолютно невидимим, то йому доведеться сидіти під своїм плащем сліпо і в повній темряві. (Одним з можливих рішень цієї проблеми можуть стати два маленьких скельця перед очима. Ці скельця будуть працювати як «расщепители променя»; вони відщипували б і направляли в очі невелику частину падаючого на них світла. При цьому велика частина світла, що потрапляє на плащ, йшла б в обхід, роблячи людину всередині невидимим, але деяка, дуже невелика його частина відділялася би і потрапляла в очі.)

Безперечно, перешкоди на шляху до невидимості дуже серйозні, але вчені та інженери налаштовані оптимістично і вважають, що щит невидимості того чи іншого роду може бути створений протягом кількох найближчих десятиліть.
Невидимість і нанотехнології

Як я вже згадував, ключем до невидимості може стати розвиток нанотехнологій, тобто здатності маніпулювати структурами атомних (близько однієї мільярдної частки метра в поперечнику) розмірів.

Моментом зародження нанотехнології називають знамениту лекцію з іронічною назвою «На дні повно місця», яку прочитав нобелівський лауреат Річард Фейнман перед Американським фізичним суспільством в 1959 р. В цій лекції він міркував про те, як можуть виглядати самі крихітні машини у відповідності з відомими нам законами фізики. Фейнман розумів, що розміри машин будуть ставати все менше і менше, поки не наблизяться до розмірів атома, а потім для створення нових машин можна буде використовувати самі атоми. Він зробив висновок про те, що найпростіші атомні машини на зразок блоку, важеля або колеса нічим не суперечать законам фізики, але виготовити їх буде надзвичайно важко.

Багато років нанотехнології животіли в забутті - просто тому, що технології того часу не дозволяли маніпулювати окремими атомами. Але у 1981 р. стався прорив - фізики Герд Бинниг і Генріх Рорер з лабораторії IBM в Цюріху винайшли скануючий тунельний мікроскоп, який пізніше приніс їм Нобелівську премію з фізики.

Вчені раптово отримали можливість отримувати вражаючі «картинки» окремих атомів, об'єднаних у структури - в точності такі, які зображують зазвичай в книгах по хімії; коли критики атомної теорії вважали це неможливим. Тепер же можна було отримати чудові фотографії атомів, розташованих рядами у правильній структурі кристала або металу. Хімічні формули, за допомогою яких вчені намагалися відобразити складну структуру молекули, тепер можна було побачити неозброєним поглядом. Більш того, скануючий тунельний мікроскоп дав можливість маніпулювати окремими атомами. Першовідкривачі виклали з окремих атомів букви IBM, ніж виробили в науковому світі справжню сенсацію. Вчені перестали бути сліпими в світі окремих атомів; вони отримали можливість бачити атоми і працювати з ними.

Принцип дії скануючого тунельного мікроскопа оманливе простий. Подібно до того як грамофон сканує диск голкою, цей мікроскоп повільно проводить гострий щуп над досліджуваним речовиною. (Кінчик цього щупа такий гострий, що закінчується поодиноким атомом.) Щуп несе на собі слабкий електричний заряд; з його кінця через досліджуваний матеріал до провідної поверхні під ним тече електричний струм, При проходженні щупа над кожним окремим атомом струм злегка змінюється; зміни струму ретельно реєструються. Підйоми і падіння струму при проходженні голки над атомом дуже точно і детально відображають його обриси. Обробивши і представивши в графічній формі дані про флуктуації струму через велику кількість проходів, можна отримати красиву картинку окремих атомів, що утворюють просторову решітку.

(Скануючий тунельний мікроскоп може існувати завдяки одному дивним законом квантової фізики. Зазвичай електрони не мають достатню енергію, щоб пройти з кінчика щупа до підкладки через шар речовини. Але існує - згідно з принципом невизначеності - невелика ймовірність того, що електрони «туннелируют», тобто проникнуть через бар'єр, хоча це і суперечить ньютонівської теорії. Саме тому струм, що проходить через матеріал, так чутливий до тонких квантових ефектів в ньому. Пізніше я зупинюся на наслідках квантової теорії більш детально.)

Крім того, щуп мікроскопа досить чутливий, щоб пересувати окремі атоми і споруджувати з них прості «машини». Зараз ця технологія настільки розвинена, що можна бачити групу атомів на екрані комп'ютера і простим рухом курсору пересувати окремі атоми довільним чином. Можна маніпулювати десятками атомів так само легко, як цеглинками конструктора «Лего». Можна не тільки викладати з атомів букви, але і створювати іграшки, такі як, наприклад, рахунки, де кісточки зібрані з одиничних атомів. Для цього атоми розкладають на поверхневими, забезпеченою вертикальними пазами. У пази вставляють сферичні фулерени («футбольні м'ячики», складені з окремих атомів вуглецю). Ці вуглецеві кульки і служать кісточками атомних рахунків, рухаючись вгору і вниз по своїм пазів.

Можна також вирізати атомні пристрою за допомогою електронних променів. Наприклад, учені з Корнельського університету вирізали з кристалічного кремнію найменшу в світі гітару, розмір якої в 20 разів менше товщини людського волоса. Гітара має шість струн товщиною в сотні атомів кожна, які можна смикати за допомогою атомного силового мікроскопа. (При цьому гітара дійсно буде грати музику, але частоти, які вона виробляє, знаходяться далеко за межами чутності людського вуха.)

В даний час практично всі «наномашини» являють собою всього лише іграшки. Більш складні машини з передачами і підшипниками ще тільки належить створити. Але багато інженери впевнені, що час реальних атомних машин вже на підході. (В природі існують такі машини. Одноклітинні організми здатні вільно плавати у воді завдяки рухам крихітних волосків. Але якщо уважно розглянути з'єднання між волоском і кліткою, стає зрозуміло, що саме атомна машина дозволяє волосині довільно рухатися у всіх напрямках. Тому один із шляхів розвитку нанотехнологій - це копіювання природи, яка освоїла виробництво атомних машин мільярди років тому.)
Голограми і невидимість

Ще один спосіб зробити людину частково невидимим - це сфотографувати вид позаду нього і потім спроектувати це зображення безпосередньо на одяг людини чи на якийсь екран перед ним. Якщо подивитися спереду, то здасться, що людина став прозорим і світло якимось чином проходить крізь його тіло.

Цим процесом, відомим під назвою «оптичної маскування», серйозно займався, зокрема, Наокі Кавакамі з Лабораторії Таті Токійського університету. Він каже: «Цю технологію можна було б використовувати, щоб допомогти пілотам побачити посадкову смугу крізь підлогу кабіни або водіям роздивитися як слід навколо при парковці автомобіля». «Плащ» Кавакамі покритий крихітними світловідбиваючими бусинками, які працюють подібно кіноекрані. Те, що відбувається позаду, знімається на відеокамеру. Потім це зображення надходить в відеопроектор, який, у свою чергу, проектує його на плащ спереду. Створюється враження, що світло пронизує людину наскрізь.

Прототипи плащів з системою оптичної маскування вже створені в лабораторії. Якщо подивитися точно спереду на людину в такому плащі, здається, що він зникає, тому що ви бачите при цьому тільки зображення того, що відбувається позаду. Але якщо ви, а разом з вами і ваші очі, трохи зрушите, а зображення на плащі при цьому залишиться тим самим, стане зрозуміло, що це всього лише обман. В системі більш реалістичною оптичної маскування необхідно буде створювати ілюзію тривимірного зображення. Для цього потрібні голограми.

Голограма - це тривимірне зображення, створене лазерами (згадайте тривимірне зображення принцеси Леї в «Зоряних війнах»). Можна зробити людину невидимою, якщо сфотографувати фон за ним за допомогою спеціальної голографічного камери і відтворити його потім на спеціальному голографічному екрані перед ним. Спостерігач побачить перед собою голографічний екран із зображенням всього, що насправді знаходиться попереду, за винятком людини. Буде виглядати так, як ніби людина просто пропав. На його місці виявиться точне тривимірне зображення фону. Навіть рушивши з місця, ви не зможете зрозуміти, що перед вами підробка.

Створення таких тривимірних зображень можливо завдяки «когерентності» лазерного світла, тобто того факту, що електромагнітні коливання в ньому відбуваються строго в унісон. Щоб побудувати голограму, когерентний лазерний промінь розщеплюють на дві частини. Одну половину спрямовують на фотоплівку, іншу - на цю ж фотоплівку, але вже після відбиття від об'єкта. При інтерференції двох половинок променя на плівці виникає інтерференційна картина, яка містить всю інформацію про вихідний тривимірному лучі. Плівка після прояву виглядає не дуже багатообіцяюче - на ній видно тільки павутина незрозумілих ліній та завитків. Але якщо пропустити через цю плівку лазерний промінь, в повітрі, немов по чарівництву, виникає точна тривимірна копія об'єкта.

Тим не менш голографічна невидимість ставить перед дослідниками дуже серйозні проблеми. Одна з них - створення голографічного камери, здатної робити принаймні 30 знімків в секунду. Ще одна - зберігання і обробка всієї цієї інформації. Нарешті, необхідно буде проектувати зображення на екран так, щоб воно виглядало реалістично.
Невидимість через четвертий вимір

Слід згадати ще один, куди більш хитрий спосіб ставати невидимим, викладений Гербертом Уелсом у романі «Людина-невидимка». Цей спосіб передбачає використання можливостей четвертого виміру. (Пізніше в цій книзі я детальніше розповім про можливе існування вищих вимірів.) Чи може людина покинути нашу тривимірну всесвіт і парити над нею в четвертому вимірі, спостерігаючи за подіями зі сторони? Подібно тривимірної метелику, яка пурхає над двовимірним аркушем паперу, такий чоловік був би невидимий для будь-якого мешканця всесвіту внизу. Єдина проблема полягає в тому, що існування вищих вимірів досі не доведено. Більш того, гіпотетична подорож в одне з таких вимірювань вимагало б набагато більше енергії, ніж є в нашому розпорядженні в даний момент, при поточному рівні розвитку техніки. Якщо говорити про реальні способи досягнення невидимості, то цей метод, очевидно, лежить далеко за межами наших сьогоднішніх знань і можливостей.

З огляду на величезні успіхи, досягнуті вже на шляху до невидимості, ми, я думаю, можемо сміливо класифікувати її як неможливість I класу. Невидимість того чи іншого роду може стати буденною вже в найближчі кілька десятиліть, в крайньому випадку до кінця століття.