Как стать невидимкой — что об этом говорит наука

Сделать человека прозрачным недостаточно. Даже идеально чёрный человек не стал бы невидимкой — вместо фигуры наблюдатель увидел бы тёмный силуэт.

Причина в том, что видимость создаётся не самим телом, а тем, что происходит со светом. Предмет отражает часть излучения, часть поглощает, часть рассеивает, а позади него возникает область, куда свет попадает иначе, чем раньше. Убрать нужно все эти следы сразу.

Настоящая невидимость означает, что свет после встречи с человеком распространяется почти так же, как если бы никакого человека на его пути не было. Это совсем другая задача, чем «стать прозрачным».

К такому эффекту в реальности ведут три разных направления: физики управляют распространением света, биологи изучают маскировку, психологи исследуют случаи, когда видимый объект не попадает в сознательное внимание. Каждое даёт свою разновидность невидимости, и ни одно пока не превращает человека в универсального невидимку.

Заставить свет обойти

Физически интересная идея состоит в том, чтобы лучи разделились перед объектом, прошли вокруг него и соединились позади — так, чтобы восстановились направление, интенсивность и фаза волны. Наблюдатель получил бы почти ту же картину, что видел бы через пустое пространство.

Теоретическое обоснование даёт трансформационная оптика: она позволяет рассчитывать материалы с необычным распределением электромагнитных свойств, направляющие волны по заданным траекториям. На бумаге это похоже на научную версию плаща-невидимки.

В 2006 году исследователи показали устройство, уменьшавшее рассеяние микроволн от помещённого внутрь объекта. Невидимость впервые перестала быть мысленным примером и стала измеряемым эффектом — но работало устройство не с видимым светом и человека от глаз не скрывало.

Дальше начинаются трудности масштаба. Видимый свет включает широкий диапазон длин волн, а человека пришлось бы скрывать одновременно для множества цветов, разных направлений наблюдения и разных положений головы смотрящего.

Есть и более глубокая проблема. Волны, отправленные в обход тела, проходят больший путь, чем свет через пустое пространство, — и возникшая разница сама способна выдать скрытый объект.

Исследования физических пределов маскировки показывают, что дело не только в трудности изготовления материалов. Ограничения связаны с фундаментальными свойствами распространения волн и причинностью: сильно подавить рассеяние в определённых условиях можно, а получить одновременно широкий диапазон, все направления и крупный объём — гораздо труднее.

Коридор, а не плащ

Метаматериал — искусственно организованная структура, чьё электромагнитное поведение определяется не столько составом вещества, сколько устройством его элементов. Это позволяет получать взаимодействие с волнами, которого у обычных однородных материалов нет.

Существует и более простой подход. Системы обычных линз создают область, которую наблюдатель с определённого направления почти не видит: лучи проходят вокруг неё и снова формируют изображение фона. Эксперименты с параксиальной оптикой показали, что скрытую область можно получить без всяких фантастических веществ.

Но слово «невидимость» здесь легко понять неправильно. Стоит заметно изменить угол наблюдения, положение объекта или освещение — и конструкция перестаёт работать.

Это специально сформированный коридор невидимости, а не плащ, в котором можно ходить по комнате. Объект невидим не сам по себе, а для одного конкретного направления взгляда.

Отдельно стоит сказать, что повторять оптические опыты дома не стоит: работа с мощными источниками света и лазерами повреждает зрение необратимо, и для знакомства с темой такие эксперименты не нужны.

Невидимка не смог бы видеть

У задачи есть сторона, о которой в фантастике не вспоминают, а она решающая.

Человек видит потому, что светочувствительные клетки сетчатки поглощают попавший в глаз свет. Поглощение — обязательное условие: именно израсходованная энергия фотона запускает нервный сигнал.

Отсюда следует неприятное для невидимки правило. Прозрачный глаз пропускал бы свет насквозь, ничего не поглощая, — и не работал бы вовсе. Полностью прозрачный человек оказался бы слепым.

Обойти это можно, лишь оставив зрение видимым для окружающих: любая работающая сетчатка должна свет задерживать, а значит, чем-то себя выдавать. Абсолютная прозрачность и зрение оказываются взаимоисключающими.

Заметим, что у маскировки такой проблемы нет. Ни камуфляж, ни оптическое укрытие, ни невнимательная слепота не требуют от объекта прозрачности — потому они и работают, пусть в ограниченных условиях, тогда как самый эффектный фантастический вариант упирается в физику восприятия.

Природа решает задачу иначе

Животному необязательно становиться прозрачным. Достаточно увеличить время, которое хищнику потребуется на обнаружение и распознавание, — и в этом смысле камуфляж работает не с самим существом, а со зрительной системой наблюдателя.

Первый механизм — сходство с фоном. Цвета, яркость, масштаб пятен и структура поверхности уменьшают различия между объектом и сценой. Копировать каждую травинку при этом не требуется: важнее убрать признаки, по которым зрение быстро отделяет фигуру от фона.

Второй механизм тоньше и называется разрушающей окраской. Контрастные элементы пересекают внешний контур тела и мешают глазу собрать отдельные участки в единую фигуру. Полевые эксперименты подтвердили: расположение контрастных пятен у границ силуэта затрудняет обнаружение.

Отсюда видно, чем научное понимание камуфляжа отличается от бытового. Дело не в «правильных цветах» — зрение ищет ещё границы, формы, тени, симметрию и характерные сочетания деталей. Незаметность появляется, когда сразу несколько таких признаков перестают надёжно указывать на отдельный объект.

Почему движение всё портит

Прекрасно скрытый неподвижный объект становится заметным после небольшого перемещения.

Зрительная система чувствительна к изменениям сцены: движение создаёт сигнал, который легко отделяется от устойчивого фона. Исследования животного камуфляжа поэтому рассматривают поведение наравне с цветом и рисунком тела — замирание здесь такая же часть маскировки, как окраска.

Значение имеют и положение относительно фона, ориентация, возникающие тени, соответствие окружающей структуре. Маскировка может выглядеть превосходно на одном участке и заметно хуже в нескольких шагах от него.

Универсального узора, одинаково скрывающего объект во всех условиях, не существует. Камуфляж — всегда свойство пары «объект и обстановка», а не свойство одежды самой по себе.

Невидимость внутри внимания

Есть форма невидимости, для которой не нужно вообще никаких материалов. Человек способен смотреть прямо на объект и не осознавать его присутствия — психологи называют это невнимательной слепотой.

В известных экспериментах участникам давали задачу, требующую сосредоточиться на определённых событиях внутри динамичной сцены. Неожиданный и довольно крупный объект замечала лишь часть наблюдателей. Зрение тут ни при чём: изображение попадало на сетчатку, но ресурсы внимания были заняты другим.

Исследования восприятия изменений дополняют картину. Субъективное ощущение подробной и непрерывной картины мира значительно богаче той информации, которую мы в каждый момент действительно обрабатываем. Мозг выбирает важные признаки и не хранит все элементы сцены с одинаковой точностью.

Здесь появляется самая реалистичная версия невидимки: объекту необязательно переставать отражать свет, достаточно, чтобы зрительная система не выделила его как значимый.

Но есть существенная оговорка. Невнимательная слепота — свойство наблюдателя, а не управляемая способность того, кого не замечают. Включить её по желанию и гарантировать, что окружающие перестанут кого-то видеть, нельзя.

Вопрос поставлен неполно

В современной реальности вероятность визуального обнаружения снижать можно, а сделать тело полностью невидимым для произвольного наблюдателя — нет. Камуфляж уменьшает выделение фигуры из фона, оптические системы скрывают ограниченную область при определённой геометрии, специальные материалы уменьшают рассеяние отдельных диапазонов излучения.

Складывать эти технологии как части одного плаща не получится. Система, рассчитанная на микроволны, не обязана скрывать объект в видимом диапазоне; то, что плохо замечает глаз, может уверенно регистрировать другой датчик, потому что разные системы используют разные физические признаки.

Вопрос «виден ли объект» в инженерии считается неполным. Нужно уточнять: кому невидим, в каком диапазоне, с какого направления, на каком расстоянии и с какой надёжностью обнаружения.

После такого уточнения фантастическая единая способность распадается на несколько вполне решаемых научных задач — и это, пожалуй, главное, что наука сделала с идеей невидимости.

Невидимый для кого

Развитие этой области, скорее всего, приведёт не к универсальному прозрачному костюму, а к всё более точному управлению отдельными признаками обнаружения. Материалы и оптические структуры будут лучше контролировать рассеяние, отражение и направление волн, а активные системы — менять свойства вслед за окружением.

Попутно меняется и сам смысл слова. Раньше спрашивали, можно ли убрать объект из поля зрения. Теперь вопрос звучит иначе: какую информацию наблюдатель использует, чтобы решить, что объект здесь есть.

Отсюда неожиданное следствие. Абсолютная невидимость требует почти полного контроля над окружающим светом, а частичная — контроля лишь над теми признаками, которые использует конкретный наблюдатель или прибор.

Поэтому первые по-настоящему работающие невидимки будут, вероятно, не универсальными, а узкоспециализированными: незаметными не вообще, а для определённого способа смотреть. Фантастика обещала исчезновение для всех сразу — наука предлагает исчезновение для кого-то одного, и это оказалось куда более выполнимой задачей.