Среди перспективных военных технологий, повышающих боевую эффективность и выживаемость военнослужащих на поле боя, особое место в «комплекте солдата будущего» может занять невидимый камуфляж. Пользуясь невидимостью, можно будет легко проникать за линию обороны противника и проводить дерзкие нападения, застав неприятеля врасплох. Скорее всего, подобные изделия не будут предназначены для массового применения, а поступят на вооружение подразделений занимающихся антитеррором и разведывательно-диверсионной деятельностью, а то и вовсе будут использоваться в единичных экземплярах.
Пожалуй, за точку отсчёта на пути к невидимому камуфляжу можно взять 20-е годы XIX века, когда английский физик-экспериментатор Майкл Фарадей в ходе исследований установил связь между электричеством и магнетизмом. Фарадей доказал, что электрические поля могут превращаться в магнитные и наоборот.
Другой британский учёный Джеймс Клерк Максвелл взял описанные Фарадеем картины физических полей и изложил их на точном языке дифуравнений. Далее Максвелл задал вопрос: если магнитное поле может превращаться в электрическое, что происходит, если они переходят друг в друга бесконечное число раз? Было обнаружено, что такое электромагнитное поле порождает волну. Максвелл вычислил скорость движения волн и получил довольно подозрительную величину ~ 300 000 км/с. В 1864 г. он пророчески записал: «эта скорость настолько близка скорости света, что мы, по всей видимости, имеем все основания сделать вывод, что сам свет представляет собой электромагнитное возмущение.»
Максвеллова теория света и атомная теория строения вещества дали оптике и невидимости простое объяснение. В твёрдом теле атомы плотно «упакованы», а в жидкости или газе расстояние между молекулами гораздо больше. Твёрдые тела не обладают прозрачностью, так как свет не может пробиться через плотный строй атомов, представляющий собой подобие кирпичной стены. Жидкости и газы напротив прозрачны - свету проще проскочить между редкими атомами. При этом имеются исключения. Многие кристаллы одновременно и твёрдые и прозрачные. Атомы в кристалле располагаются в узлах правильной пространственной решётки и образуют регулярные ряды с одинаковыми интервалами. В такой кристаллической решётке всегда много путей для движения света. На основании этих данных стало очевидно, что свойство невидимости возникает где-то на атомном уровне и поэтому его будет чрезвычайно трудно (если вообще невозможно) воспроизвести обычными методами.
Пробой сил в этом направлении можно считать появление «стелс-технологии» – комплекса мер и способов снижения заметности боевых машин в радиолокационном, инфракрасном и других областях спектра обнаружения. Самолёт легко увидеть невооружённым глазом, но на экранах некоторых радаров его изображение будет соответствовать размеру крупной птицы. Впрочем, всё это достигалось применением ряда технических «фокусов», позволявших обходить уравнения Максвелла – использование радиопоглощающих композиционных материалов, специальная геометрия планера самолёта и т.д. Радарный луч, попадая на такой летательный аппарат, в идеале не должен был возвращаться, а рассеивался во всех направлениях или поглощался специальными покрытиями.
Однако, незадолго до появления «стелс-технологии» были намечены куда более многообещающие в плане невидимости направления научной деятельности. Так, ещё в 1967 г. советским физиком Виктором Веселаго было предсказано появление экзотических материалов, обладающих сложно достижимыми технологически, либо не существующими в природе оптическими свойствами, например, отрицательным показателем преломления и обратным эффектом Доплера.
Эти композиционные вещества получили название «метаматериалы» (с греч. «находящиеся за пределами»). При их создании в обычный природный материал внедряются атомные структуры, которые вынуждают электромагнитные волны выбирать нестандартные пути движения, направляя их по заданному пути, подобно тому, как река обтекает камень. Метаматериал способен непрерывно изменять маршрут микроволн, оставляя выбранный объект невидимым для заданной формы излучения.
Необычные свойства метаматериалов базируются на их способности управлять таким параметром как «показатель преломления». Преломление, это свойство света менять направление распространения при прохождении через различные среды. Если опустить карандаш в прозрачный стакан с водой можно заметить, что вода и стекло отклоняют и искажают ход лучей обычного света. Причина явления состоит в том, что при входе в плотный прозрачный материал свет замедляется. Скорость света в вакууме постоянна, но в стекле или в воде ему приходится искать путь через скопление триллионов атомов. Как правило, чем плотнее среда, тем сильнее она отклоняет луч света и тем больше показатель преломления.
Показатель преломления, величина постоянная. Узкий луч света, проникая в стекло, меняет направление, а затем движется по прямой. Но, представим, что мы в состоянии управлять коэффициентом преломления. В каждой точке стекла луч света будет двигаться заданным способом. Если научиться управлять показателем преломления в метаматериале так, чтобы свет огибал некий объект, то он станет невидимым. Для получения этого эффекта показатель преломления в метаматериале должен быть отрицательным, хотя в классическом учебнике по оптике будет сказано, что такое невозможно.
Размеры внутренних структур, внедрённых в метаматериал, должны быть меньше длины волны излучения. К примеру, чтобы сделать объект невидимым для зелёного света (длина волны 500-565 нм), метаматериал должен иметь внедрённые структуры длиной около 50 нм. Однако, это уже нанотехнологии, атомный масштаб. По сути, чтобы произвольно искривлять путь светового луча, нужно научиться манипулировать структурами атомных размеров и модифицировать отдельные атомы.
В целом, технологии работы на таком уровне уже обкатаны в микроэлектронной промышленности. Например, технология фотолитографии, позволяет на кремниевой подложке размером с ноготь размещать сотни миллионов маленьких транзисторов. В настоящее время самые мелкие компоненты, которые удаётся создать, имеют размер 5 нм (~20 атомов кремния). Например, процессор Apple M1 Max имеет плотность упаковки ~132 млн транзисторов на квадратный миллиметр.
Попадаются публикации, в которых утверждается, что уже разработаны метаматериалы, способные работать в видимом диапазоне света. Так, ещё в 2007 г. группа учёных из Германии и Министерства энергетики США заявила о создании метаматериала, оказывающего воздействие на красный свет (правда, определённой длины волны). Следующим логическим шагом должно стать создание метаматериала, способного полностью обвести красный луч вокруг объекта, сделав его невидимым для красного цвета.
Другая группа физиков заявила о разработке метаматериала способного повернуть видимый свет, на базе технологии «плазмоники». Цель плазмоники – сжать свет в структурах меньше длины его волны, чтобы в дальнейшем манипулировать им в наномасштабе, особенно на поверхности металлов.
Несмотря на вроде бы обозримые горизонты, путь к невидимому камуфляжу ожидается неблизкий. В перспективе 10-20 лет можно ожидать появление метаматериалов, способных сделать объект невидимым по крайней мере в двух измерениях для видимого света любой конкретной частоты. Далее придётся создать метаматериалы способные изгибать свет в трёх измерениях, а не только на плоских двумерных поверхностях. После этого, учёным придётся решить проблему создания метаматериалов изгибающих свет не одной частоты, а нескольких (полосы частот).
Скорее всего, первый лабораторный образец невидимого устройства окажется не таким, как нам хочется. Поначалу это будет тяжёлое неповоротливое оборудование – вероятно твёрдый цилиндр из метаматериала. В более продвинутых моделях появятся гибкие метаматериалы, способные удерживать свет внутри себя в правильном направлении.
Однако, даже такие массивные устройства смогут найти применение в армии и флоте, в первую очередь, для снижения заметности кораблей, летательных аппаратов и бронетанковой техники. Вероятно, оборудование станет неотъемлемой частью роботизированных модульных огневых сооружений, выполняющих задачи технических средств охраны. Что же касается невидимого камуфляжа для солдат, то такую экипировку, вероятно, следует ожидать к концу XXI века. При этом, у первых «щитов невидимости» будет существенный недостаток – тот, кто находится внутри, не сможет выглянуть наружу, не став при этом видимым. А любые отверстия для глаз или окуляров будут отчётливо видны снаружи. Придётся как-то решать и эту проблему.
Ещё одним способом позволяющим сделать человека невидимым является так называемая технология «оптической маскировки». Её суть сводится к фотографированию вида позади человека, после чего получившееся изображение проецируется непосредственно на одежду объекта или на экран перед ним. Если посмотреть спереди, то покажется, что человек стал прозрачным и свет каким-то образом проходит сквозь него.
Подобный эффект достигается за счёт покрытия одежды крошечными светоотражающими бусинками, работающими подобно киноэкрану. То, что происходит сзади, снимается на видеокамеру, а затем поступает в видеопроектор, который проецирует изображение на плащ спереди. Однако, подобная маскировка действует пока только в статике. Если наблюдатель сдвинется, изображение на плаще останется прежним и станет понятно, что это всего лишь обман зрения.
В системе реалистичной оптической маскировки необходимо будет создавать иллюзию трёхмерного изображения. А для этого требуются голограммы, т.е. трёхмерные изображения созданные лазерами. Если сфотографировать при помощи голографической камеры находящийся позади фон, а затем воссоздать его на специальном голографическом экране, наблюдатель увидит перед собой проекцию, но не человека. В этом случае, даже сдвинувшись с места, наблюдатель не сможет понять, что перед ним подделка.
Однако и здесь, в полный рост, встаёт множество технических проблем: создание голографической камеры, способной сделать, по крайней мере, 30 снимков в секунду, хранение и обработка огромного массива информации, создание проектора, обеспечивающего реалистичность изображения на экране. В целом, эта технология также находится только на пути становления и появление на её основе невидимого камуфляжа в обозримой перспективе не просматривается.
Спасибо, что дочитали до конца. Подписывайтесь и оставайтесь на связи, будет ещё много интересного.
Любители лёгкого чтения загляните на канал ТыжИсторик , где вас развлечёт весёлыми изысканиями коллектив народных историков.
