Обращенный во времени звук прицельно сбил LEGO-человечков

Американские физики придумали и изготовили игру, в которой нужно сбивать LEGO-фигурки противника с помощью точечной фокусировки обращенных во времени акустических волн. Для обращения волн они записывали их профиль распространения, после чего повторяли его в инвертированном порядке. Подробнее об игре и о лежащей в ее основе физике один из авторов рассказал на 181 собрании Американского акустического общества, о работе говорится в сообщении ASA.

Если бросить в воду камень, то по ее поверхности побегут расходящиеся круги. Уносить и рассеивать энергию от точечного источника в пространство — это общее свойство всех волн, не только поверхностных. Этот процесс обратен фокусировке, когда каким-либо образом волны сводятся обратно в точку. Хрестоматийным примером фокусировки волн стали собирающие линзы. В простейшем случае они перенаправляют свет, звук или волны материи с некоторого участка волнового фронта в точку пространства, определяемую их фокусным расстоянием. Помимо того, что линзы могут сфокусировать не все излучение, к их недостаткам можно отнести отсутствие когерентности в фокусе.

Другим способом фокусировки стало обращение волн во времени. Действительно, поскольку законы распространения волн, как правило, инвариантны относительно такой инверсии, то всегда можно создать в пространстве особые волны, которые сами сойдутся в некоторой точке. Это будет похоже на обратную съемку процесса испускания волн точечным источником. Метод впервые был предложен в 60-х годах прошлого века для подводного сообщения между подлодками и с тех пор нашел ряд приложений в медицине.

Для его наглядной демонстрации Брайан Андерсон (Brian Anderson) из Университета Бригама Янга со своей командой придумали игру для двух игроков. Цель игры — фокусируя акустические волны на поверхности игрового поля, опрокинуть все фигурки LEGO противника, не задевая свои. Стенд с игрой установлен в музее Швейцарской высшей технической школы Цюриха в рамках выставки, посвященной всевозможным волнам.

Перед физиками стояла задача сделать так, чтобы волны, испущенные источником из точки A, когерентно сфокусировались в точке B. Для этого они сначала создают обычный точечный импульс в А и записывают то, каким образом он достигает точки B, в течение некоторого времени. Затем они полностью инвертируют измеренный профиль и на его основе воссоздают в точке А обращенную волну. При неизменности геометрии среды в точку B через выбранное время приходит точечный когерентный импульс.

Помимо развлекательной цели эта технология помогает селективно разрушать камни в почках или опухоли в мозге без хирургического вмешательства. Андерсон отмечает, что таким способом ему уже удалось обнаруживать в ультразвуковом диапазоне трещины и дефекты в металлических контейнерах для хранения отработанного ядерного топлива. Обращение звуковых волн может быть также использовано для определения источника землетрясения и даже для локализации местоположения выстрелов в условиях городской среды.

Акустические волны в последние годы все чаще используется физиками как мощный инструмент для измерений и манипуляций на самых разных масштабах. Мы уже писали, как грохот поездов предложили использовать для зондирования земной коры и как звук помог управлять электронами на поверхности жидкого гелия.

Марат Хамадеев