Vytoužená neviditelnost

Být neviditelný je nesmírně lákavá představa, která lidi přitahovala odedávna. Takováto schopnost by člověku dala spoustu netušených možností, ale na druhou stranu by mohla mít i nepříjemné stránky – například bychom si nikdy nemohli být jisti, zdali nás někdo neviditelný neposlouchá či nesleduje…

Jak se ukázalo v posledních asi deseti letech, neviditelnost již nepatří jen do literatury science fiction, ale i na stránky moderních vědeckých časopisů. Fyzikální zákony, konkrétně zákony optiky, totiž za určitých velmi specifických podmínek umožňují, aby se předmět skutečně stal neviditelným. Lze toho docílit hned několika odlišnými způsoby.

Prvním z nich je opticky přizpůsobit předmět, který má být neviditelný, jeho okolí. Nestačí ovšem jen učinit jej průhledným – například sklenice z čirého skla je také dokonale průhledná; vidíme ji ovšem velmi dobře, protože světelné paprsky se při dopadu na ni lámou a částečně i odrážejí, a právě změna směru paprsků přítomnost sklenice pozorovateli prozradí. Ke zneviditelnění je třeba přizpůsobit index lomu daného předmětu okolnímu prostředí. Paprsky se pak nelámou ani neodrážejí, šíří se přímo a předmět se stává neviditelným.

Lze to demonstrovat velice pěkným pokusem s tzv. vodními perlami – kuličkami z polyakrylamidu, které se prodávají v květinářství. Tyto kuličky po vhození do vody nabobtnají asi na stonásobný objem a jsou pak tvořeny z 99% vodou. Jejich index lomu se proto liší od indexu lomu vody jen nepatrně a ve vodě téměř nejsou vidět. Jestliže je ale obklopíme vzduchem, budou vidět velmi dobře, protože vzduchu opticky přizpůsobeny nejsou.

a) Ve sklenici s vodou jsou vodní perly neviditelné, protože s okolní vodou dokonale opticky splývají. b) Jestliže vodu vylijeme, budou již perly dobře vidět, protože se vzduchem kolem sebe opticky nesplývají – mají jiný index lomu. (foto: autor)

Uvedený způsob zneviditelnění použil hrdina známého románu H. G. Wellse Neviditelný. Skutečné zneviditelnění člověka tímto způsobem je ovšem nemožné, protože jeho tkáně nelze učinit průhlednými (natožpak jejich index lomu přizpůsobit indexu lomu vzduchu), aniž bychom znemožnili alespoň některé jeho tělesné funkce. Člověka by to prostě zabilo.

Chobotnice se maskuje pomocí kamufláže – zbarví své tělo do stejné barvy, jako má povrch, na kterém spočívá. Podobnou schopnost mají chameleoni. (foto: archiv autora)

Pro další způsob zneviditelnění se můžeme inspirovat v přírodě. Chobotnice, chameleoni a další živočichové se maskují tak, že barvu (a často i vzor) na svém těle přizpůsobí pozadí, proti kterému je pozoruje jejich kořist či predátor a téměř dokonale s pozadím splynou. Tohoto principu kamufláže využívají i vojáci, kteří si oblékají oblečení s maskovacím vzorem nebo na sebe a na bojovou techniku při pohybu v lese navěšují větve. K dokonalosti tuto metodu dovedl pan Liu Bolin, který ve vhodném obleku dokáže splynout například s budovou.

Nevýhodou ale v tomto případě je, že jestliže pozorovatel ustoupí o krok do strany, „neviditelný“ již s okolím nebude dobře splývat a začne být vidět. Poněkud odlišným směrem se vydal profesor Susumu Tachi z univerzity v Tokiu, který dokáže kamufláž realizovat i pro pohyblivé scény v reálném čase pomocí kamery, počítače zpracovávajícího obraz z kamery a dataprojektoru promítajícího zpracovaný obraz na předmět¹⁾.

Profesor Susumu Tachi z univerzity v Tokiu dokáže kamufláž použít i v případě pohyblivých scén díky důmyslnému snímání obrazu za objektem a jeho následnému zpracování počítačem. (foto: archiv autora)

Iluze ale opět funguje dokonale jen při pohledu z jediného místa, což je největší slabina této metody.

Třetím způsobem realizace neviditelnosti je využití tzv. neviditelného pláště. Je to průhledný materiál, který dokáže velmi specifickým způsobem odchylovat světelné paprsky od přímého směru: paprsky obejdou dutinu v plášti, kde je ukryt předmět, který má být neviditelný, a pak se opět vrátí do svého původního směru. Přitom nesmí dojít k příčnému posunutí paprsku, je tedy nutné zajistit, aby paprsek pokračoval v přesně stejném směru i poloze, jaký měl před dopadem na plášť. Obrázek 5 ukazuje dráhy paprsků v neviditelném plášti podle článku ²⁾.

V neviditelném plášti se paprsky odchylují ze své dráhy, obejdou objekt a znovu se vrátí do svého původního směru. Po průchodu pláštěm se tedy šíří stejně, jakoby tam plášť ani objekt nebyl, a nic z toho proto nevidíme. (foto: autor)

Může se zdát zvláštní, že se paprsky vůbec mohou pohybovat po zakřivených drahách. Copak se světlo nepohybuje přímo? Pohybuje, ale jen v opticky homogenním prostředí, tj. v takovém, kde je index lomu všude stejný. Jestliže se index v některém místě náhle mění (např. na rozhraní vzduchu a skla), paprsek náhle mění směr – říkáme, že se světlo láme. Pokud změna indexu lomu nastává postupně (spojitě), dochází spojitě i ke změně směru a paprsek se ohýbá do tvaru hladké křivky.

To si opět můžeme ilustrovat krásným pokusem, ke kterému potřebujeme malé akvárium s vodou, sůl, pár kapek mléka a laserové ukazovátko. Nejprve dáme do vody v akváriu pár kapek mléka, aby při prosvícení akvária laserem byl paprsek vidět. Nesmíme dát ovšem mléka příliš mnoho, jinak se paprsek brzy pohltí a jeho dráhu nebudeme moci sledovat. Pak na dno akvária nasypeme sůl, aby vytvořila asi 5 mm silnou vrstvu. Vzniklou směs nemícháme, ale necháme ji celý den (nebo i více dní) v klidu stát. Když potom posvítíme laserem do akvária v blízkosti dna vodorovně nebo mírně vzhůru, můžeme ke svému překvapení pozorovat krásně ohnutý paprsek.

Video: V akváriu, v němž koncentrace soli ode dna vzhůru klesá, se paprsek nešíří přímo, ale zakřivuje se směrem dolů.

Je to způsobeno tím, že při postupném rozpouštění soli se u dna vytvořil nasycený roztok s poměrně velkým indexem lomu, zatímco s výškou nade dnem koncentrace roztoku spolu s indexem lomu klesala. A výsledkem vzniklého gradientu indexu je právě ohnutý paprsek.

Jiným projevem ohybu paprsku v opticky nehomogenním prostředí je zrcadlení neboli mirage efekt. Lze jej pozorovat v horkém dni nad rozpálenou silnicí, kdy se na silnici jeví jakoby rozlitá voda. Paprsek se v tomto případě ohýbá opačně než v akváriu a přinese pozorovateli do oka světlo z oblohy, ovšem ve směru od silnice – stejně, jako kdyby se odráželo od rozlité vody.

Nad horkou silnicí se paprsek zařivuje opačně než v akváriu. Může nám proto do oka přinést světlo z oblohy, které přichází zespodu, jakoby od silnice. Stejně jako by se světlo odráželo od vody rozlité na silnici. (foto: archiv autora)

Díky ohybu paprsků se rovněž zdánlivě chvějí předměty, které pozorujeme přes táborový oheň: horké spaliny se promíchávají s chladnějším vzduchem a paprsky se již nešíří přímo, ale náhodně se odchylují od svého původního směru. Pěkný pokus s tímto efektem si můžeme také vyzkoušet s dataprojektorem. Jestliže asi na půl cesty mezi zapnutý dataprojektor a promítací plátno umístíme plamen plynového vařiče nebo třeba jen svíčky, na plátně můžeme pozorovat obraz plamene vzniklý právě uvedeným odchylováním paprsků.

Plamen vařiče prosvětlený dataprojektorem vytváří na plátně krásné obrazce zviditelňující turbulentní proudění plynu. (foto: autor)

Chod paprsků v neviditelném plášti lze pěkně ilustrovat pomocí zařízení sestaveného z 500 optických vláken, které jsme sestrojili na Masarykově univerzitě v roce 2011. Vlákna jsou na obou stranách přístroje zcela shodně uspořádána do čtverců obsahujících 25×20 vláken. Obrázek, který vytvoříme na jedné straně např. přiložením obrazce na barevné fólii, svazek vláken rozdělí na jakési pixely a každé vlákno pak přenáší příslušný pixel na stranu druhou (viz obr. pod tímto odstavcem). Samozřejmě se zde nejedná o skutečný neviditelný plášť, ale jen o jeho model, protože paprsky jsou vedeny optickými vlákny, která zajišťují jejich zakřivení. I tak jde ale o pozoruhodné zařízení, které se stejně dobře jako k ilustraci neviditelnosti dá použít k demonstraci principu endoskopu.

(nahoře) Model neviditelného pláště z optických vláken. (dole) Po umístění průhledné fólie s namalovaným barevným obrazcem na jednu stranu modelu neviditelného pláště se obrazec objeví i na straně druhé. V našem modelu se o ohyb paprsků postarají optická vlákna na rozdíl od skutečného pláště, v němž je ohyb způsoben spojitě se měnícím indexem lomu, stejně jako ve zmíněném akváriu. (foto: autor)

Pro milovníky výzev může být potěšením, že plášť neviditelnosti sestrojit lze. Autor tohoto textu popsal princip v Československém časopise pro fyziku ³⁾, kde podává podrobné vysvětlení principu neviditelného pláště na základě tzv. transformační optiky. Jeho praktická použitelnost má ale několik omezení.

Zaprvé, tloušťka neviditelného pláště je obecně poměrně velká, podobná rozměrům předmětu ukrytého v jeho dutině. Nesmíme si tedy představovat něco podobného tenké látce, kterou si oblečeme. Plášť musí být rovněž velmi tuhý, protože jakákoli jeho deformace způsobí, že paprsky již nepůjdou po potřebných drahách a plášť začne být vidět (podobně jako sklenice ve výše uvedeném příkladu). Plášť se tedy podobá velkému tuhému kusu materiálu, v němž je dutina značně menší než celý plášť. Abychom mohli předmět do dutiny vložit, museli bychom odklopit předem připravená dvířka z téhož materiálu, která bychom pak museli opět vzduchotěsně zaklopit. Velký problém by proto nastal s přívodem vzduchu k člověku ukrytému v dutině, protože přívodní trubka se vzduchem by neměla stejné optické vlastnosti jak plášť (kvůli přítomnosti vzduchu) a proto by byla vidět. Co se týká pohodlí ukrytého člověka, byla by jeho situace zřejmě nezáviděníhodná – nedostatek vzduchu i místa, uvěznění v těsné dutině… A k tomu všemu se přidává fakt, že by dokonce ani neviděl ven! Plášť je totiž uzpůsoben tak, že veškeré světlo na něj dopadající po průchodu pokračuje dále a nezbývá proto již žádné světlo, které by dopadlo do oka člověka uvnitř. Ten by byl proto ve tmě a neviděl by ven.

Jak je již asi vidět, takový plášť není příliš praktický ani užitečný. K tomu ještě přistupuje další okolnost, kterou je cena a náročnost jeho výroby. Neviditelný plášť je totiž nutné vyrobit z tzv. metamateriálu, který je složen z nepředstavitelného množství nepatrných elementů (např. miniaturních drátků, cíveček apod., které potřebným způsobem reagují na elektromagnetické pole a díku tomu mají potřebný index lomu). Pro plášť, který funguje pro vlnové délky viditelného světla, by takových elementů musel být v každém ze tří prostorových směrů asi 5000 na milimetr. To dává 125 miliard elementů na každý milimetr krychlový. Jen v jednom metru krychlovém pláště by tak bylo asi 300x více takovýchto elementů, než uplynulo sekund od velkého třesku až dodnes. Je tedy vidět, že výroba takového pláště jistě nebude levnou záležitostí a je otázka, zda se vůbec vyplatí. Každopádně je ale neviditelnost velmi vzrušující oblastí výzkumu a je pravděpodobné, že se dočkáme dalších pozoruhodných výsledků.