Меню

Невидимый нам свет для человеческого глаза



Это надо не видеть: что такое невидимость и как ее создать

Невидимость издревле была частью чего-то магического: упоминание шапки-невидимки, которая позволяет сделать человека невидимым для глаз окружающих, можно встретить еще в сказке «Руслан и Людмила» Пушкина. Идея стать невидимым, надев что-либо на себя, продолжилась концепцией плаща-невидимки, который как раз за счет «магических» свойств ткани скрывал человека, полностью в него укутавшегося. Именно научную сторону невидимости впервые показал Герберт Уэллс в романе «Человек-невидимка»: его главный герой, физик Гриффит, обесцветил свою кровь с помощью созданного им препарата и изобрел машину, делающую человека невидимым. Сейчас именно благодаря науке способность предметов становиться невидимыми для глаз человека уже не кажется такой сказочной фантастикой, несмотря на то, что ученые сделали ставку именно на изучение материалов, а не на биологические изыскания. О том, как далеко зашли в своих исследованиях ученые всего мира, в том числе Университета ИТМО, и как все-таки создать невидимость, в нашем материале.

Это надо не видеть: что такое невидимость и как ее создать. Источник: vistanews.ru

Крылья, ноги и военная форма

Если определять «невидимый объект» просто как «объект, который мы не видим», без углубления в подробности и нюансы, то стоит начать с примеров из живой природы — с принципов маскировки, которые помогают хищникам охотиться на травоядных, а травоядным прятаться от гибели. Самой распространенной здесь является мимикрия цвета, при которой окраска животного гармонирует с цветовой гаммой, распространенной в ареале его обитания. У арктических животных и птиц часто встречаются белые мех и перья, а, например, в пустынях водится живность всех оттенков песчаного цвета. Эту хитрость используют военные всего мира, полевая форма которых сшита из камуфляжной ткани. А некоторым представителям животного мира эволюция помогла настолько хорошо отточить механизмы мимикрии, что, например, африканского богомола Phyllocrania paradoxa очень трудно отличить от засохшего листа, а его собрата Hymenopus coronatus, который обитает в Индии и Индонезии, — от цветка орхидеи. Это мимикрия формы.

Есть и более изощренные мастера мимикрии, способные активно приспосабливаться к окружающей среде. Хамелеоны, вопреки распространенному мнению, меняют цвет не для того, чтобы прятаться, а чтобы общаться с представителями своего вида. Однако головоногие моллюски, самыми известными из которых являются осьминоги, и некоторые рыбы, например камбалы, благодаря умению менять окраску неплохо справляются с задачей «быть невидимыми» для стороннего наблюдателя. Попытки перенять этот опыт и создать адаптивный камуфляж предпринимают многие экспериментаторы и научные группы. Например, ученые из лаборатории профессора Сусуми Тачи в Токийском университете создали свою версию плаща-невидимки на основе технологии ретрорефлективной (отражающей в сторону источника света) проекции. Добиться эффекта «невидимости» им удалось благодаря тому, что происходящее за человеком в плаще снимается на специальную камеру, обрабатывается и проецируется на специальную ткань. Похожую идею использовали персонажи Саймона Пегга и Тома Круза в фильме «Миссия невыполнима: Протокол Фантом», хотя сценаристы, конечно, не ограничивали свою фантазию реально существующими технологиями.

От зоологии — к физике

Можно привести еще массу примеров, когда объекты имитируют фон, на котором находятся, но «настоящей» невидимостью здесь пока что не пахнет. Чтобы действительно скрыть объект от посторонних глаз, нужно, чтобы он не поглощал и не переизлучал падающий на него свет.

Спрятать что-либо от технических устройств достаточно легко, хоть эти решения и имеют ряд ограничений: стелс-технологии военных основаны на том, чтобы излучение радиолокационных станций отражалось в сторону и в итоге не возвращалось к приемнику. Но обмануть зрение сложнее как минимум потому, что глаз сам ничего не излучает, а только регистрирует попадающий свет, и, если «заставить» какой-то предмет ничего не отражать, невидимым он для нас не станет: на его месте будет черное пятно. Значит, необходимо сделать так, чтобы электромагнитные волны прошли через объект без искажений. Для этого нужно, чтобы его оптические свойства были идентичны таковым у воздуха, а это пока что невозможно. Другой выход — заставить волны огибать объект и больше никак с ним не взаимодействовать.

Магистрант кафедры фотоники и оптоинформатики и секретарь студенческой оптической ячейки Университета ИТМО Владимир Борисов рассказывает, что проблема вполне решаема. Для этого требуется поместить объект — допустим, шар — в шар побольше, выполненный из материала с таким показателем преломления, чтобы падающая волна нужным образом искривилась, обогнула объект, а затем продолжила распространяться в прежнем направлении. Мало того, теоретически это можно реализовать даже двумя способами.

Дырка от метабублика

Первый способ связан с использованием метаматериалов — это особый класс материалов, свойства которых определяет не вещество, из которых они состоят, а их структура. Ученые могут создавать метаматериалы с удивительными характеристиками, которые не встречаются в природе — например, обладающие отрицательным показателем преломления света. Понять, как это может выглядеть, поможет следующий мысленный эксперимент. Представьте, что в стакан налита жидкость, оптические свойства которой будут как у обычной воды, за исключением прямо противоположного значения показателя преломления (n = -1,33). Если опустить в этот стакан палочку, то со стороны это будет смотреться так, как будто под и над поверхностью жидкости находятся две разных палочки — концы будут направлены в разные стороны.

Чтобы изменить показатель преломления материала, можно «разбавить» его структуру другим веществом. Для начала можно создать ячеистую структуру из шестиугольников, размеры которых будут сопоставимы с длиной падающей волны. Если просверлить в каждом из шестиугольников дырку, то свет будет воспринимать единицу «шестиугольник плюс дырка» как нечто однородное, и коэффициент преломления света материалом понизится. Такой метод использовали исследователи из Северной Каролины: они создали диэлектрическую пленку, оптические свойства которой были близки к свойствам обычного воздуха, и опубликовали результаты исследования в журнале Advanced Functional Materials.

«Структуру не обязательно создавать из шестиугольников: форма структурных единиц может быть и более причудливой. Но пока это самые простые многоугольники, которыми можно заполнить плоскость так, что между ними не будет зазоров, а между их центрами будет минимальное расстояние. Именно поэтому такие структуры — например, пчелиные соты — часто встречаются в природе, — объясняет Владимир Борисов. — Этот метод до определенного момента достаточно прост в исполнении, в интернете есть видео, на котором с его помощью от микроволнового излучения маскируют человека: волны огибают трубу, в которой он находится. Но здесь есть одна проблема: эксперимент трудно повторить в оптическом диапазоне частот, потому что длина волны в видимом спектре составляет всего 400−800 нанометров. Нужно заполнить пространство очень маленькими шестиугольниками, в которых еще нужно будет просверлить очень много дырок, при этом тщательно просчитав все параметры».

Отметим, что ученые из Калифорнийского университета в Беркли уже создали на основе метаматериала из золотых наноантенн плащ-невидимку, который скрывает трехмерные объекты в инфракрасном диапазоне. Правда, невидимым пока что удалось сделать объект площадью всего в 1300 квадратных микрон — это размеры нескольких живых клеток. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Science.

Читайте также:  Натюрморт как ставить свет

Среда для невидимки

Другой метод связан с использованием светочувствительных сред — материалов, которые реагируют на внешние раздражители и меняют свойства, чаще всего — коэффициенты преломления и поглощения.

«Мы можем просто взять кусок материала, подогреть его или охладить, а после — осветить, чтобы показатель преломления изменился ровно так, как нам нужно. Я работаю над созданием базы для реализации этого подхода, но сейчас подробно останавливаться на этой теме не стану: ей будет посвящен мой рассказ на Science Slam ITMO University, — говорит Владимир Борисов. — Эта отрасль пока еще находится на стадии фундаментальных исследований, и до прикладных экспериментов пока еще далеко».

По словам Владимира Борисова, над вопросами невидимости в оптическом диапазоне он работает не только потому, что концепция «шапки-невидимки» выглядит более заманчиво, чем «шапка-невидимка для СВЧ-диапазона». Здесь встают более сложные задачи и появляются более интересные наглядные эффекты. Например, даже если ученые смогут создать маскирующее покрытие, в котором волны будет огибать массивный объект, полностью избавиться от оптических дефектов удастся не сразу. Во-первых, из-за того, что огибающему объект свету приходится проделать чуть больший путь, фон за невидимкой визуально будет находиться чуть дальше, чем положено. Кроме того, разные спектральные составляющие света будут по-разному взаимодействовать с маскирующей средой, и в результате фон будет «расслаиваться» на разноцветные изображения.

«Невидимость нужна в первую очередь оборонной промышленности. Военным необходимо просто защитить объект от волн конкретной длины, чтобы с их волновым фронтом не происходило ничего необычного. Компьютеры пока что не очень хорошо умеют распознавать такие дефекты и вряд ли сумеют делать это в ближайшем будущем. Поэтому я думаю, что мы и не будем учиться компенсировать такие дефекты, — добавляет Владимир Борисов. — Сегодня многие ученые занимаются моделированием поведения света в материалах, есть массивные математические и физические пакеты, с помощью которых можно посмотреть, как волна будет огибать объект, каким будет волновой фронт. Человеческий глаз — не очень надежный приемник, он регистрирует не все физические величины, которые присущи электромагнитной волне. Поэтому главным орудием всех физиков, которые занимаются вопросами невидимости, сейчас являются эти программные пакеты».

«Правильный» плащ-невидимка, который заставляет волны света огибать укутанный в него объект, уже якобы создан. Канадская компания Hyperstealth Biotechnology, специализирующаяся на выпуске камуфляжа, публиковала материал о том, что их технология Quantum Stealth позволяет маскировать объект в видимом и инфракрасном диапазоне частот, прятать его тень и при этом не требует источников питания, камер и зеркал. Ткань-невидимка мало весит и стоит недорого. Однако, по словам представителей компании, технология настолько секретная, что они не могут публиковать вообще никаких подробностей о разработке, и даже «фотографии» плаща в действии были нарисованы.

Добавим, что в Университете ИТМО проблемой невидимости занимается ряд подразделений уже не один год. Результаты исследований по этой теме нашли выражение в научных публикациях в журналах Scientific Reports, Physica status solidi, Physics-Uspekhi. Также, если вас заинтересовала тема невидимости, советуем почитать обзорную статью заведующего кафедрой оптики лазеров Николая Розанова.

Источник

Узреть невидимое. Почему люди не видят ультрафиолет и как язык меняет восприятие цветов

Чтобы получать выгоду от окружающего мира и избегать его опасностей, надо хоть что-то об этом мире знать. Поэтому даже у примитивных сидячих животных, неподвижных и со всех сторон одинаковых, есть чувствительные клетки или целые органы. Они собирают данные об окружающей среде, и уже на основе этих данных животные совершают наиболее подходящие действия.

Организмы научились отличать свет от тьмы очень давно. Для многих животных, в том числе и людей, зрение — основной источник информации об окружающем мире. Как же устроен этот процесс?

Читайте также:  Патрон для лампочки h7 ближний свет

В первом приближении глаз позвоночных и головоногих моллюсков (одни из самых продвинутых существ в «параллельной» с нами ветке эволюции) устроен как фотоаппарат. Есть линза (хрусталик), есть отверстие, через которое свет попадает на линзу (зрачок). Наконец, есть фотопластинка (или матрица у современных фотоаппаратов) — сетчатка. Чувствительные клетки (фоторецепторы) в ее составе активируются при падении света определенной длины волны. Для каждого типа клеток сетчатки диапазон оптимальных длин волн свой.

Есть две большие группы фоторецепторов — палочки и колбочки. Палочки активировать легко, для этого не нужна сильная освещенность. Но и четкость изображения они дают слабенькую. В этом легко убедиться, если пойти ночью в лес без фонарика: что-то видно, но лишь в общих чертах. А еще совершенно непонятно, какого цвета окружающие предметы. Для распознавания цветов и их оттенков нужны колбочки. Эти рецепторы активировать сложнее, и работают они только при хорошем освещении.

Разные типы колбочек отвечают за распознавание различных цветов, реагируя на свет в узком диапазоне длин волн. Поэтому иметь какой-то один тип колбочек бессмысленно: «палочные сумерки» просто приобретут тот или иной оттенок. Это непрактично и опасно: с таким зрением, например, невозможно будет отличить спелые плоды от неспелых, а незрелые фрукты могут быть ядовитыми. Так что зрячие животные обзавелись минимум двумя типами колбочек.

«У человека три типа колбочек и один тип палочек, — поясняет Павел Максимов, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории обработки сенсорной информации ИППИ РАН. — Даже если бы у нас был всего один тип колбочек и палочки, мы, возможно, могли бы различать цвета, но только при сумеречном освещении, при котором функционируют и палочки, и колбочки. Кроме самих рецепторов нужна соответствующая обработка сигнала. Например, если сигналы от рецепторов разных типов просто сложить, никакой информации о цвете не останется. Зрительная система должна уметь сравнивать сигналы от разных рецепторов, чтобы определить, что сигнал от коротковолновых («синих») колбочек сильнее или слабее, чем от длинноволновых («красных»)».

Колбочки и эволюция

Если животное ориентируется в основном на зрение, ему хорошо бы уметь различать множество разных оттенков, а для этого нужно больше двух типов колбочек.

Колбочный рекордсмен — рак-богомол. У этого своеобразного создания 12 типов колбочек. Оно видит ультрафиолет и определяет поляризацию света (неэквивалентность излучения по различным направлениям в плоскости, перпендикулярной лучу света). По всей видимости, такое многообразие зрительных ощущений помогает ракам размножаться: самцы могут передавать самкам и самцам-конкурентам сигналы, основанные на разной поляризации световых лучей.

Сколько оттенков различают эти ракообразные, не вполне понятно: что рак-богомол различает два световых пучка, только если длины их волн отличаются на 15 нанометров и более. Для сравнения: человек воспринимает два цвета как разные, если длины их волн различаются всего на 1-2 нанометра. Вероятно, дело в том, что нервная система человека куда искуснее «обрабатывает» зрительные сигналы.

У других представителей животного царства набор колбочек поскромнее, но многие из них тоже могут определять поляризацию света. Среди умеющих это делать — птицы, рептилии и многие насекомые: у них по четыре типа колбочек. А вот у млекопитающих, лягушек и тритонов эти рецепторы всего двух типов — остальные общий предок амфибий и зверей утратил. Тем не менее некоторые звери, например кошки и собаки, могут видеть ультрафиолет. Ревунам и обезьянам Старого Света, в том числе людям, удалось «восстановить» третий тип колбочек (на самом деле, заполучить новый) за счет дупликации (удвоения) генов зрительных пигментов. Кстати, столько же вариантов колбочек и у рыб, но у них нет коры головного мозга, поэтому обработка сигнала намного менее совершенна.

«Если рассматривать зрительную систему как черный ящик, то общим свойством у рыб и обезьян является так называемая поправка на освещение, — рассказывает Максимов. — Зрительная система воспринимает не цвета излучений, приходящих в глаз, а окраску наблюдаемых предметов. При изменении освещения меняются спектры отраженных от предметов излучений, но зрительная система вносит поправку на цвет источника освещения, и воспринимаемые цвета предметов остаются такими же. Это свойство зрительной системы называется константностью цветовосприятия». Именно благодаря этой особенности зрения возник «феномен платья»: фотография, которую разные люди видели в разных цветах в зависимости от того, какой базовый цвет мозг «вычитал» из фона.

Интересно, что некоторые опыты на птицах показали, что у птиц нет поправки на освещение. Получается, что они воспринимают не цвета предметов, а цвета отраженных от них излучений. «По-видимому, наличие в зрительной системе птиц четырех типов колбочек позволяет им пользоваться каким-то альтернативным механизмом константности цветовосприятия для узнавания предметов по их окраске», — говорит Максимов.

Несмотря на некоторые различия, нейрофизиология цветовосприятия у позвоночных в общих чертах одинакова. Это означает, что данные, которые были получены при изучении работы структур глаза и головного мозга, отвечающих за зрение у рыб, кошек, обезьян и прочих, можно с некоторыми поправками переносить на человека. Но некоторые аспекты цветовосприятия можно проконтролировать и изучить только на людях. Например, как на способность различать цвета влияет язык.

В каждом языке набор слов для обозначения цветов свой, и он во многом зависит от окружающих условий, в которых развивался тот или иной народ. Например, в языках эскимосов слов, обозначающих снег, гораздо больше, чем у жителей Сахары. В первой половине XX века лингвисты Эдуард Сепир и Бенджамин Ли Уорф выдвинули гипотезу, что северные народы различают больше оттенков белого, чем те, кто видит снег только изредка. Впрочем, некоторые опыты доказывают, что структура языка, если и влияет на восприятие человеком мира (а не наоборот), то лишь отчасти.

Читайте также:  Лазерный метод измерения скорости света

Например, одно из недавних российских исследований показывает, что люди из разных культур различают цвета одинаково успешно. Китайцы и русские (речь идет о горожанах) показывали схожие результаты, когда им на мониторе предъявляли десятки пар точек, выбранных из 25 различных цветов. Тем не менее на картинах и графике китайских художников оттенки более приглушенные и чаще встречаются черно-белые изображения. На полотнах русских творцов цвета намного сочнее.

Кстати, цветность картин — не единственное «зрительное» отличие китайской культуры от русской. Например, в китайском и японском отдельные слова для синего и зеленого появились не так давно: в этих языках до сих пор есть слова, обозначающие одновременно оба эти цвета. Тем не менее мозг представителей этих народностей реагирует на синий и зеленый по-разному.

Судя по всему, число слов, обозначающих различные «базовые» цвета, зависит не только от условий жизни носителей языка, но и от того, насколько развит этот конкретный язык. В простейших языках по-разному называются только черный и белый. При этом под белым имеют в виду также желтый и красный, а под черным — синий и зеленый, других слов для обозначения цветов нет. В большинстве известных языков следом за черным и белым появляется отдельное слово для красного (при этом красными считаются и желтые предметы). На третьей стадии в пяти из шести произвольно выбранных языков возникает специальное наименование зеленого, под которым в этот момент подразумевают и синий тоже. В ряде исключений зеленый не отделяется от черного и синего, зато начинают различаться ранее «сцепленные» желтый и красный. Наименование синего цвета появляется в этом ряду шестым. Посмотреть, какой язык на какой «цветовой» стадии развития находится, можно здесь.

Мужское и женское

Несмотря на то что тема равенства полов стала очень модной, по части восприятия цветов мужчины и женщины заметно различаются. Скажем, нарушения цветового зрения чаще бывают у мужчин. И дело здесь не только в том, что гены, мутации в которых вызывают потерю какого-нибудь типа колбочек, расположены на Х-хромосоме, которая у сильного пола одна.

Восприятие цветов, как и звуков, зависит от уровня тестостерона в организме. У самых женственных мужчин рецепторов к этому гормону в разы больше, чем у самых крепких женщин. И в частности, их очень много на нейронах головного мозга, особенно в затылочной доле коры — там, куда приходят зрительные сигналы. В итоге у мужчин образуется больше связей между нейронами зрительной коры и зрительных зон таламуса, откуда сигналы попадают в затылочные доли. Кроме того, по не до конца ясным причинам мужчины лучше отслеживают быстро сменяющие друг друга мелкие детали, а женщины хорошо различают оттенки близких цветов. Возможно, эти особенности развились у мужчин из-за того, что в древнем обществе они занимались охотой, а женщины собирали растения и грибы.

Исследование 2001 года показало, что среди женщин гораздо чаще встречаются индивидуумы с четырьмя (а не тремя) типами пигментов — молекул, лежащих в основе работы колбочек (в палочках пигменты тоже есть, но другие). Это одна из причин, почему женщина в среднем может назвать больше разных оттенков, чем мужчина. Наконец, колбочки мужчин настроены на свет чуть больших длин волн, чем зрительные рецепторы женщин: по-видимому, сильный пол при прочих равных видит мир более красным.

Этот раздел альтернативной медицины учит, что различные заболевания, вплоть до рака, можно лечить, давая больному смотреть на определенный цвет в зависимости от того, что болит. Вот только рекомендации к лечению во многих клиниках разные, общего стандарта нет. А это первый звоночек, что цветотерапия — метод непроверенный. Разумеется, цвета, которые человек видит регулярно, могут влиять на его эмоции и на восприятие мира. Но это верно и для любых других элементов обстановки. А изменение настроения — это еще не лечение, хотя вещь в большинстве случаев полезная.

Хотя зрительная система — одна из самых изученных сенсорных систем, оценить, насколько восприятие цветов изменилось в ходе эволюции и как оно отличается у животных разных видов и внутри видов, непросто. Приходится учитывать и число различных типов зрительных пигментов, и строение сетчатки и зрительных областей мозга, и пол, и даже родной язык — если мы говорим о людях. Словесные описания одного и того же предмета при одинаковом освещении от разных авторов могут заметно отличаться. А если тестировать цветовое зрение, не прибегая к словам (например, выделять «особый квадрат» из десятков одинаковых), выяснится, что два человека могут различать два цвета, но мы никогда не узнаем, что точно они видят при этом. Ну и конечно, нейронные сигналы, возникающие в мозге в ответ на какой-либо цвет, совершенно индивидуальны.

Источник