Як пояснити невидимість "Хижака" за допомогою фізики? (11 фото)

Всесвіт Хижака - це ще один чудовий світ, де з'являвся Арні. І фізики там не менше, ніж у Термінаторах. Напевно, факт невидимості персонажа інтригує найбільше. А чи є тут хоч трохи реальної фізики чи все це мистецька вигадка?





У фільмі «Хижак» зникає на очах, але залишає на картинці хиткі «миготіння», наче гаряче повітря над асфальтом. З погляду фізики це схоже управління тим, як світло проходить навколо об'єкта.



У природі світло в прозорому середовищі йде шляхом з найменшою "оптичною довжиною", що залежить від показника заломлення. Якщо ми зуміємо зробити так, щоб довкола тіла показник заломлення змінювався саме так, ніби там просто повітря, промені не помітять перешкоди. Глядач побачить те, що знаходиться позаду, а сам об'єкт випаде з поля зору майже як камінь у річці, навколо якого воду відводять рівними каналами, не утворюючи бризок.

Найоб'єктивніший шлях до такої невидимості – трансформаційна оптика. Ідея в тому, щоб математично спотворити простір навколо об'єкта так, ніби його там немає, а потім реалізувати це спотворення матеріалом із потрібними електричними та магнітними властивостями.

Для світла це означає оболонку, у якої показник заломлення та анізотропія змінюються від точки до точки та від напрямку до напрямку. На практиці таку оболонку роблять не зі скла, а з метаповерхонь та метаматеріалів: масивів мікроструктур, які керують хвилею як фазованою антеною, додають потрібну затримку та фазовий зсув кожному фотону.





Якщо Хижак одягнений у багатошаровий костюм з активних метаповерхностей, він може перенаправляти промені навколо себе так, щоб очі спостерігача (або камера) отримували майже правильну картинку фону.

Чому майже? Тому що ідеальне маскування упирається в жорсткі обмеження. Світло - це напрям і яскравість, а й спектр, поляризація, фазова структура. Широкосмугово та під усіма кутами приховати макрооб'єкт у повітрі надзвичайно складно.



Існують теореми збереження світності, через які ідеальний плащ без втрат та спотворень для всіх довжин хвиль та кутів недосяжний. Отже, реальне маскування має компроміси: працює тільки у вузькому діапазоні спектру, для обмежених кутів зору або ціною помітних артефактів.

У фільмі ці артефакти і видно — тремтливі контури та «шви» на кордонах, особливо коли камера чи Хижак рухаються.



Є й земний підхід: активна камуфляжна проекція. Уявіть костюм, повністю покритий мікродисплеями і датчиками, які знімають навколишню сцену, обчислюють, як вона має виглядати «крізь» Хижака з урахуванням геометрії, і відразу малюють на поверхні цю картинку.

Це динамічна мімікрія – не ховати світло, а дурити глядача імітацією фону. У нерухомій сцені і для одного спостерігача це може вражаюче працювати. Але як тільки з'являється другий спостерігач під іншим кутом, картинка перестає бути правильною: у кожного променя своя відповідність пікселя і напрямки, і той самий піксель не може одночасно «світити правильно» для всіх.

Звідси кінематографічні хвилювання зображення та помітна ламка ілюзії при різких рухах – система не встигає перерахувати та перемалювати світло під нові кути.



Фільм дає підказки про мультиспектральну боротьбу. Арні обмазується брудом – падає теплова помітність. Для невидимості недостатньо сховатися у видимому діапазоні. Живе тіло світить в інфрачервоному діапазоні, а механіка – у звуку, вібраціях, радіочастотах.

Значить, костюму Хижака потрібен пакет технологій: оптична оболонка для видимого, теплова ізоляція та активне охолодження для ІЧ-камер, придушення відображень у ближньому ІЧ, контроль поляризації, а заразом – поглинання та розсіювання в радіодіапазоні, щоб не бликати на радарі.

Будь-який дощ або туман це безліч додаткових частинок, що розсіюють. Вони руйнують тонке налаштування фаз та показника заломлення, через що контури плаща стають видимими. Краплі чіпляються за поверхню, змінюючи локальний профіль матеріалу, і маскування шарудить у світлі, як дефекти в лінзі. Це ми й бачимо у кадрі.



З енергетикою теж негладко. Активний плащ повинен у реальному часі вимірювати поле навколо себе (камерами, лідером), розраховувати карту фаз та амплітуд, а потім синтезувати потрібний тип хвилі на кожній мікросекції оболонки. Це мільярди операцій за секунду і відчутна потужність на випромінювання/поглинання. Будь-яка втрата призводить до нагріву, а тепло треба виводити, щоб не засвітитися в ІЧ. Звідси і товсті шари теплопоглинаючих матеріалів теплотрубки, можливо, ефекти з фазовими переходами (прихований запас плавлення), які на хвилину-дві ковтають тепло, а потім скидають його, коли загрози менші. Маса такої системи немаленька, і насправді вона погіршує маневреність.



Цікавим є питання геометрії. Світло, проходячи через плащ, має виходити з тією самою фазою і напрямом, наче пройшов по прямій. Це означає, що оболонка вирішує обернену задачу. Для даного вхідного пучка знайти розподіл локальних затримок, яке збере пучок без аберацій на вихідну траєкторію. У статиці та для вузького набору кутів це схоже на ідеально відполіровану асферичну лінзу, лише розгорнуту навколо об'єкта. У динаміці включається ще й доплерівський ефект. При русі поверхні плаща відносна частота світла зміщується, і система має компенсувати ці крихітні зрушення, інакше в поляризаційних і спектральних каналах з'являться відблиски руху.



Чому Хижак видає себе у лісі частіше, ніж у місті? Ліс дає багату текстуру на всіх масштабах. Від сонячних відблисків на листі до тонких вен малюнку кори. Навіть малі помилки у відновленні фону стають помітними. Гладкі поверхні міста прощають більше. Правильний дзеркальний відблиск можна підмалювати, а перераховувати складний хаос листя важче.



Що ж найближче до реалістичного костюма? Комбінація трьох шарів. Всередині тепловий костюм згладити ІЧ-портрет. Зовні - адаптивна шкіра з метаповерхонь, що управляють заломленням та відображенням у видимому та ближньому ІЧ (мікроантенні елементи, рідкокристалічні осередки, електрооптичні плівки). Поверх всього активна візуальна текстура - мікродисплеї та мікродзеркала, які домальовують дрібні деталі фону у вузькому діапазоні кутів.

Такий гібрид не стане магічно прозорим, але дасть цей кінематографічний ефект. На секунди зникати у нерухомій сцені, а під час руху залишати лише мерехтіння контурів.



І, нарешті, межі важливі. Не можна обдурити всі діапазони відразу, всіх спостерігачів та за всіх умов. Сучасна фізика дозволяє зробити помітність об'єкта радикально нижчою - у вузьких вікнах частот, під обмеженими кутами, на обмежений час, ціною енергії, маси та крихкості системи.

Саме тому невидимість Хижака виглядає правдоподібною до першого дощу, до першої тепловізійної лінзи або до моменту, коли противник підійде з іншого боку. Для глядача – це магія. Для фізики це тонкий баланс між перетворенням хвилі і неминучими витоками, якими реальність все одно видає фокус.