Археологические метаматериалы, или секретные технологии Древнего Рима

(Май 2019, idb)

Затертый штамп про «всякое новое как хорошо забытое старое» применяют и часто, и к чему угодно. Но крайне редко – к новейшим хайтек-технологиям передовой науки. Здесь, однако, будет рассказ именно о таком случае…

На сайте научных препринтов arXiv.org недавно выложена весьма примечательная обзорная статья, подготовленная в области междисциплинарных исследований на стыке нанофотоники, геофизики и инженерных аспектов строительства/архитектуры. Авторами работы являются ученые из французского Института Френеля при Марсельском университете, а название у статьи такое: «Роль нанофотоники в рождении сейсмических мегаструктур» (arXiv:1904.05323).

Начиная свой обзор, авторы работы первым делом поясняют, какая тут вообще может быть взаимосвязь между столь разными, казалось бы, вещами как нанофотоника (сочетание оптики и нанотехнологий) и конструирование сейсмоустойчивых зданий. Ведь нанооптика с её фотонными кристаллами и электромагнитными волнами, с одной стороны, и наука геофизика с её сейсмическими волнами землетрясений, со стороны другой, занимаются волнами совершенно разной природы.

В нанофотонике, в частности, исследователи манипулируют электромагнитными излучениями в диапазонах видимого света и прилегающих к нему областей ультрафиолетовых и ближних-инфракрасных частот. То есть в диапазоне волн длиной примерно от 300 до 1200 нанометров. Волны же сейсмические, проходящие через толщу земли и по её поверхности, не только сильно отличаются от природы света, но и имеют совсем-совсем другие длины – порядка десятков и сотен метров.

Физика волн, однако, на всех масштабах имеет по сути одни и те же ключевые особенности. Типа эффектов интерференции и дифракции, то есть усиливающего или гасящего колебания наложения волн, отражения и способностей волн к огибанию встреченных препятствий. А потому при грамотном использовании опыта и математического инструментария исследователям волн удается весьма эффективно переносить достижения одной области в области совершенно другие.

Если же говорить конкретно о нынешней истории, то разработка фотонных кристаллов, теоретически открытых примерно лет тридцать тому назад, в своем развитии шла бок о бок не только c большими достижениями науки в смежных нанотехнологических областях вроде плазмоники и метаматериалов. Все эти совокупные успехи со временем вдохновили ученых и на создание метаповерхностей значительно более крупных масштабов – с линейными размерами порядка десятков метров. Такого рода структуры получили название сейсмические метаматериалы.

Эксперименты ученых и инженеров с сейсмическими метаматериалами, сооружаемыми из зарытых в грунт элементов, убедительно показали, что мощный математический инструментарий, изначально разработанный для фотонных кристаллов и нанооптики, предоставляет отличные возможности и для этой области. Важнейшая среди таких возможностей – существенно новое описание и предсказание тех сложных феноменов во взаимодействиях между землей и возведенными на ней сооружениями, что происходят в периоды сейсмических возмущений.

Впечатляющие успехи на данном направлении – типа работоспособной концепции волнового «плаща-невидимки», защищающего здание от землетрясений – уже ведут ученых и к куда более смелым футуристическим идеям. Ибо те же самые подходы, что помогают при разработке метаструктур, закопанных в грунт, аналогично можно использовать и для изучения совокупных эффектов от уже выстроенных и/или проектируемых к постройке зданий. При таком обобщенном подходе все возводимые на земле сооружения рассматриваются как надповерхностные резонаторы в мегаструктурах типа «мета-городов».

Иначе говоря, грамотно размещая здания с правильными сочетаниями их формы, площадей и высоты, можно заранее обеспечивать повышенную сейсмоустойчивость всего метакомплекса сооружений в целом. Особо же интересно, как подчеркивают авторы обзора, что столь замечательные перспективы для зодчества недалекого будущего попутно должны напоминать нам и о богатейшем наследии архитекторов и строителей древности.

Ибо реальная ситуация здесь такова, что как только разработчики сейсмических метаматериалов разобрались как следует, что и как тут следует делать, то вскоре им открылась и воистину поразительная вещь. Оказалось, что имеется поразительное и несомненное сходство между конструкциями их новейших «плащей-невидимок», защищающих современные здания от землетрясений, и архитектурой некоторых весьма и весьма древних мегаструктур – таких как древнеримские арены-цирки и амфитеатры.

Проанализировав структуру фундаментов нескольких цирков и амфитеатров эпохи Древнего Рима, французских исследователи обнаружили, что изучают, по сути дела, «археологические метаматериалы». То есть инженерные конструкции, которые неявным образом (как минимум) могли обеспечивать защиту сооружений от землетрясений, искривляя прохождение сейсмических волн в обход постройки.

Именно этому открытию и будет посвящен дальнейший рассказ – в проекции на особенности современных метаматериалов оптики и геофизики.

Итак, термином «метаматериалы» сегодня принято обозначать специфические искусственные структуры, которые представляют собой массивы резонаторов, манипулирующих электромагнитными волнами или звуком таким образом, который в природе обычно не обнаруживается. В физике разработан особый математический инструментарий под названием «трансформационная оптика», помогающий эффективно конструировать из метаматериалов разнообразные новые устройства с весьма необычными свойствами.

Наиболее знаменитое в народе – и особенно среди военных – метаматериальное новшество подобного рода – это так называемые «плащи-невидимки». То есть устройства или покрытия, заставляющие волны света огибать объект подобно тому, как вода ручья обтекает камень. При таком обтекании света объект становится фактически невидимым для окружающих.

Нас здесь, однако, интересует существенно иное, но по своим физическим принципам аналогичное приложение метаматериалов в строительстве. То есть создание таких конструкций, которые изменяют прохождение сейсмических волн вокруг зданий – дабы защитить их от землетрясений. Инженерная суть идеи заключается в том, чтобы окружить здание особой решетчатой структурой, сооруженной в грунте из скважин-отверстий или, наоборот, из твердых свай-стержней.

Когда сейсмические волны в определенном диапазоне длин волн проходят через такую решетку, то многократные отражения в этой решетке гасят друг друга. Или, как выражаются в науке, волны взаимно интерферируют деструктивным образом, что порождает щель в их частотной полосе, а это, в свою очередь, приводит к существенному уменьшению опасных сотрясений здания.

В 2012 году ученые-исследователи марсельского Института Френеля, работая в сотрудничестве с группой инженеров строительной компании Ménard в Лионе, продемонстрировали работоспособность этой идеи , пробурив в верхнем слое грунта массив скважин, имевших глубину 5 метров каждая и взаимно-расположенных на плане в соответствии со специально рассчитанной структурой такого «мета-кристалла». Используя размещенный поблизости генератор-излучатель, порождающий акустические волны в соответствующем частотном диапазоне, исследователи обнаружили, что основная часть энергии этих волн была эффективно отражена первыми же двумя рядами отверстий-скважин.

Некоторое время спустя после этих успешных экспериментов один из ученых-участников того исследования, Стефан Брюле, являющийся также и одним из соавторов нынешней обзорной статьи про сейсмические метаматериалы, отдыхал по случаю отпуска в центральной области Франции. И вот там – при посещении археологических руин эпохи Древнего Рима близ городка Отюн – внимание и интерес Брюле особо привлекла одна фотография аэрофотосъемки, на которой был снят фундамент местного древнеримского амфитеатра, уже почти полностью погребенного землей примерно там же, но чуть дальше по дороге.

Хотя и с трудом различимые под слоем наносов земли, останки каменных сооружений на этом поле демонстрировали, однако, общий контур большого здания первого века новой эры. А самое главное, что в характерном расположении несущих конструкций Брюле тут же распознал полукруглую структуру, имевшую неоспоримое сходство с половиной их математически рассчитанного «плаща-невидимки» от землетрясений.

Впоследствии это первичное наблюдение удалось подтвердить благодаря фотографиям из археологических исследований, проведенных несколькими годами ранее. Там несущие конструкции фундамента были картографированы с намного большей отчетливостью. Наложив в соответствующем масштабе это фото на 20-сантиметровый макет «плаща-невидимки» из алюминия, изготовленного учеными Френелевского института, исследователь обнаружил , что колонны театра и отражающие элементы их «плаща» совпали друг с другом почти в точности. Каждый элемент решетки был расположен в рядах концентрических (полу)кругов, которые с уменьшением радиуса располагались ближе и ближе друг к другу.

Затем Брюле расширил поиски и обнаружил, что та же самая особенность структуры обнаруживается и в фундаменте Колизея в Риме, и в других аренах-цирках, которые в отличие от полукруглых амфитеатров имеют полностью замкнутую конфигурацию. В частности, исследователь обнаружил, что соотношение радиусов соседних концентрических кругов было всегда почти идентично.

Относительно того, каким же образом древние римляне могли прийти к такой интересной конструкции, Стефан Брюле и его коллеги не имеют, естественно, никаких достоверных сведений. На данный счет имеются лишь некоторые правдоподобные предположения. Сам Брюле, в частности, предполагает, что строители древности могли постепенно модифицировать свои амфитеатры благодаря опыту, набиравшемуся в течение нескольких столетий при строительстве зданий в областях с повышенной сейсмической активностью.

Для этих предположений, однако, пока что нет никаких документов или аналитических результатов. Поэтому ученый готов допустить и другой вывод – о просто удачном совпадении. То есть фундаменты римлян, хорошо подходившие для несения статических нагрузок, также оказались и хорошо противостоящими землетрясениям. Строго говоря, добавляет он, в настоящее время мы не можем сказать тут ничего больше – кроме как предоставить сопоставление древних построек и современных расчетов…

Пока что трудно даже предполагать, сумеет ли современная наука в итоге понять, на основе каких знаний были основаны проекты и сооружения древних строителей. Ясно, однако, что знали они немало. Французские же ученые решили привлечь к этой теме особый интерес с такой целью. Дабы люди были просто в курсе относительно самого главного: когда речь идет о минимизации ущербов от землетрясений, то имеют значение как конструкция, так и общее расположение зданий.

На современном этапе эту задачу красиво решает концепция сейсмических метаматериалов. Но кроме того, нынешним ученым и инженерам следует пристальнее присмотреться к древним архитектурным сооружениям – чтобы поучиться кое-чему важному и у этих поразительно устойчивых конструкций.

# # #

Дополнительное чтение:

«Псевдо-археология»: про большое и удивительное открытие, сделанное в археологии дилетантами-энтузиастами, и про интересную позицию профессионалов, сходу и заранее отрицающих всё, поскольку «этого просто не может быть».

«Нелинейная магия ультразвука»: про то, как в области электроники для обработки акустических сигналов недавно открыта новая примечательная технология коммуникаций со множеством корней, уходящих вглубь тысячелетий.

# #

Основные источники :

Stéphane Brûlé, Stefan Enoch and Sébastien Guenneau. «Role of nanophotonics in the birth of seismic megastructures.» arXiv:1904.05323

«Did the Romans build seismic invisibility cloaks?» by Edwin Cartlidge. Physics World, 23 Apr 2019.

«L’invisibilité n’est plus de la science-fiction,» par Gérard Desportes. 05 Apr 2012, Le Point.fr