Идеальный плащ-невидимка, как у Гарри Поттера, может быть физически невозможным, показывает новое исследование. Ученые показывают, что даже самые лучшие плащи невидимости смогут спрятать объект лишь от нескольких наблюдателей, тогда как другие наблюдатели, движущиеся по отношению к первой группе, увидят искажения. Физики Джад Халимех из Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене, Германия, и Роберт Томпсон из Университета Отаго в Новой Зеландии опубликовали статью об ограничениях плащей-невидимок в недавнем выпуске Physical Review A.
Как объясняют исследователи, ограничения специальной теории относительности означают, что лучшие плащи невидимости смогут делать объекты лишь частично невидимыми, поскольку от очевидных видимых искажений из-за движений никуда не деться. В результате получится плащ-невидимка, меньше похожий на гаррипоттеровский и больше на костюмы полупрозрачных существ из фильма «Хищник» 1987 года.
«Эта работа показывает, что накидка невидимости для всех наблюдателей попросту невозможна, — рассказал Халимех. — Реальные плащи-невидимки останутся в области фантастики. Ваш плащ, если и будет прагматически широкополосным, будет больше похож на костюм Хищника и проявлять искажения при движении».
Если коротко, принцип работы теоретической накидки невидимости заключается в искривлении пути света вокруг объекта так, чтобы он оказывался по другую его сторону — словно объекта не существовало. В предыдущих исследованиях ученые уже обозначили проблему этой концепции. Прямой путь через область пространства всегда короче кривой вокруг этой области, поэтому свет будет дольше двигаться вокруг объекта, чем проходя эту область насквозь. Эта задержка времени может привести к заметным искажениям.
Многие решили обойти это ограничение, скрывая объекты лишь от одной частоты света, вроде определенной частоты в микроволновом диапазоне или одного цвета в видимом спектре. Все остальные частоты отражались от объекта или выбирают иную траекторию, чем та, которую выбирает «скрытый» свет, и объект оставался четко различимым. Создать одночастотные накидки без задержки времени вполне реально.
В предыдущей работе ученые показали, что одночастотные накидки страдают от другой проблемы: при движении с высокой скоростью они становятся видимыми вследствие релятивистского эффекта Доплера, который смещает частоту входящего света относительно рабочей частоты накидки.
В новой работе физики задаются вопросом, может ли существовать тип накидки невидимости, которая удовлетворила бы надежды фанатов Гарри Поттера, включая сокрытие от всех частот спектра и возможность поддержания невидимости в движении.
Они исследовали тип плаща, известный как «амплитудный плащ», поскольку он сохраняет только амплитуду света, а не его фазу (которая сдвигается задержкой времени). Намеренно создавая временную задержку, амплитудный плащ делает возможным спрятать свет в нескольких частотах. Такой тип плаща уже много раз создавался в лабораториях США, Германии и Китая.
К сожалению, ученые показали, что амплитудный плащ работает, только когда скрытый объект и наблюдатель оба остаются неподвижными. Если один из них движется, скрытый объект становится видимым — хоть и не четко, но искажение картинки по крайней мере выявит его присутствие.
Причина того, почему движение разрушает эффект невидимости, не имеет ничего общего с доплеровским сдвигом в одночастотных плащах, а скорее вытекает из так называемого эффекта Френеля — Физо. Эти ученые в 1800 году обнаружили, что свет, идущий через движущуюся среду, затягивается (трется) этой средой. Таким образом, движущийся амплитудный плащ будет стягивать световые волны в различные области пространства, наблюдаемые кем-то еще, и изображение будет искажаться.
Ученые обнаружили, что искажения картинки, вызванные эффектом Френеля — Физо, увеличиваются вместе с относительной скоростью плаща и наблюдателя, а также по мере увеличения пропускной способности плаща. Тем не менее даже при малейших скоростях и при малой пропускной способности, когда размытие изображения нельзя обнаружить невооруженным глазом, искажения сможет увидеть чувствительный детектор. В целом эта проблема движения вытекает из того факта, что амплитудный плащ не сохраняет фазу света.
«Хотя наши результаты могут быть неутешительными для будущих волшебников, понимание ограничений маскирующих устройств имеет ценность в реальной жизни, — говорит Томпсон. — Исследования невидимости приводят к появлению новых технологий, и мы ищем эффекты, которые могут поставить под угрозу функциональность этих технологий, или которые могли бы быть использованы для разработки практических приложений в будущем».
