Можно ли закричать так, чтобы никто не услышал?
Последние теоретические работы ученых из Австрии, опубликованные в журнале Physical Review Letters, показывают, что теоретически можно отправить звук в комнате от одного человека другому так, чтобы посторонний не смог услышать передачу. Определенные условия заставляют звук в этом случае вести себя как поток частиц, а не волновой процесс. В своей работе ученые показали, какие математические условия позволяют создать такую «канальную» волну, а также описали рассеяние подобной волны в специфической среде. Проведенные исследования позволят повысить эффективность передачи информации как с помощью механических колебаний, так и при помощи электромагнитных волн.
Можно привести массу примеров, в которых волны рассеиваются в сложной среде. К примеру, случайному рассеянию подвергается свет, проходящий через мутную среду (как молоко), или звук, отражающийся от большого числа предметов в комнате. Последние годы исследователи уделяли особое внимание таким ситуациям, измеряя свойства сложных рассеивателей, и даже строили волны, проходящие через среду с наименьшими потерями. Некоторые из методов такого построения базируются на так называемой матрице рассеяния среды – математическом представлении, использующимся для вычисления рассеяния и отражения волн любой начальной формы. Сама матрица рассеяния при этом строится с помощью массива устройств в среде, которые могут контролируемо принимать или передавать волны.
Теперь же группа ученых из Vienna University of Technology (Австрия) использовала матрицу рассеяния для решения другой смежной задачи – построения волн, которые будут передаваться в сложной среде практически без рассеяния (как поток частиц, а не волна).
Представим себе оркестр: в концертном зале все слышат оркестр, независимо от расположения инструментов. Ведь размеры инструментов и различные узоры на стенах сопоставимы с длинами звуковых волн. На этих поверхностях волны дифрагируют и рассеиваются во всех направлениях.
Однако теоретически звуковые волны могут быть переданы напрямую от источника единственному слушателю, так что посторонний не сможет услышать передачу. Все что потребуется – это правильная последовательность амплитуды и фазы так, чтобы любое рассеяние от некой поверхности было скомпенсировано рассеянием от другой поверхности. Такую волну практически невозможно найти среди всех теоретически возможных в данной среде, но группа исследователей придумала для этого однозначную математическую процедуру, основанную на матрице рассеяния. Используя компьютерную симуляцию, команда сгенерировала волны, подобные потокам частиц, которые получили название NOTES (noiseless time-delay eigenstates; бесшумные состояния с временной задержкой), в нескольких различных ситуациях. Рассчитанные примеры включали прямоугольную коробку, коробку с одной искривленной стеной, а также два примера прямоугольников, заполненных случайными рассеивателями (родственники потенциально «непрозрачной» среды).
На практике волны могли быть произведены тем же массивом устройств, что применялись для построения матрицы рассеяния. Компьютер обеспечил бы в этом случае точную форму волны, которая испускалась бы каждым источником в среде.
После окончания теоретических расчетов, ученые приступили к обсуждению своей идеи с экспериментаторами, занимающимися построением матрицы рассеяния в акустических, оптических и микроволновых системах. В случае успеха ученые обещают преимущества любой области, где ранее волны подвергались дифракции и рассеивались. К примеру, частные радиопередачи теперь можно было бы отправлять напрямую получателю, не опасаясь, что рассеянные волны могут позволить получить данные кому-то еще.
