Шапка-невидимка из обычных линз

Физики разработали систему из четырех обычных линз, способную скрывать предметы.

Сказочная шапка-невидимка вдохновляет физиков на все новые поиски «технологии невидимости». Уже сейчас для этого есть несколько подходов, связанных с использованием оболочек или экранов, которые способны заставить свет обогнуть предмет и продолжить распространение в прежнем направлении. При этом наблюдатель видит то, что расположено за предметом, который таким образом делается невидимым. Эта сама по себе непростая задача осложняется тем, что разным лучам требуется разное время на огибание тела, тогда как для «качественной» невидимости они должны распространяться одновременно. Реализация этих методов связана с применением наукоёмких технологий и экзотических материалов, таких как метаматериалы. При этом невидимость наблюдается только при наблюдении с определенной точки, и исчезает, стоит наблюдателю немного сместиться.

Физики Университета Рочестера в Нью-Йорке предложили иную концепцию – обеспечить исчезновение предмета с помощью так называемой лучевой маскировки. Они разработали систему из четырех линз, способную при наблюдении через них скрыть большие объекты, размещенные между линзами. Для ее изготовления достаточно дешевых и легкодоступных линз с разными фокусными расстояниями. Чем больше будут линзы, тем больший объект можно скрыть с их помощью. Объект между ними будет невидимым, даже если смотреть на него под разными углами (правда, разница в углах должна быть в пределах нескольких градусов). Расчеты показывают, что на больших линзах маскировка будет работать при углах до 15 градусов и даже более. Но линзы должны быть высокого качества, чтобы избежать краевых искажений.

Секрет исчезновения предметов очень прост. Система из четырех линз представляет собой подобие объектива, через который наблюдатель видит фон. Но у нее есть особенность – путь, по которому свет распространяется между линзами. Линзы расставлены таким образом, что свет от фона собирается в очень узкий луч, который направлен вдоль оси системы. Такой луч называется параксиальным, отсюда и данное авторами название метода «параксиальная оптическая лучевая маскировка». Предмет, расположенный между линзами за пределами этого луча, невидим наблюдателю, который продолжает видеть фон. Нельзя только допускать перекрытие предметом этого луча, другими словами, нельзя размещать предмет в области, где проходит луч, несущий изображение фона – в этом случае предмет становится виден. Таким образом, область маскировки объекта имеет форму бублика. Правда, авторы утверждают, что у них имеется проект более сложной установки, в которой эта проблема решена.

Чтобы понять, как создается параксиальный луч, достаточно вспомнить известные из школьной физики свойства выпуклой линзы. Падающий свет она собирает (фокусирует) в небольшое пятно вокруг так называемого фокуса линзы, а расходящиеся лучи света, исходящие из точки фокуса, превращает в параллельные оси линзы. Таким образом, первая линза установки фокусирует свет. Пройдя фокус первой линзы, лучи света снова начинают расходиться, но недалеко от фокуса на их пути ставится вторая линза, которая преобразует расходящийся пучок в почти параллельный. Для этого положение ее фокуса должно совпадать с фокусом первой линзы, а фокусное расстояние должно быть меньше, чтобы пучок получился узким. Оставшиеся две линзы в обратном порядке восстанавливают исходный свет.

Интересно, что в пресс-релизе на сайте университета исследователи привели простое описание установки с необходимыми формулами, чтобы ее мог изготовить любой желающий. Стоимость такой установки они оценили всего в $100. Сделайте – и вы сможете показать незабываемые фокусы своим знакомым.

Результаты своей работы авторы послали в журнал Optics Express, статья также доступна на сайте arXiv.org. Видео об установке можно посмотреть здесь.

По материалам университета Рочестера