Neviditelnost, optické procesory a ryba nad vodou

Známý spisovatel sci-fi literatury Arthur C. Clarke napsal, že každá pokročilá věda a technologie jsou na první pohled nerozeznatelné od magie. U neviditelnosti takové přirovnání sedí velmi dobře. Svět totiž nemusí fungovat jen tak, jak si představuje „selský rozum“.

Neviditelnost, optické procesory a ryba nad vodou


Médii tu a tam proběhnou zprávy, že vědcům se podařilo postoupit ve snaze o dosažení neviditelnosti zase o další krok. V jaké fázi se ale tyto projekty opravdu nacházejí, jaká je fyzikální podstata příslušných technologií a k čemu by to všechno mohlo být dobré?

Překvapivá možnost

Všemožných plášťů či prstenů neviditelnosti je plná mytologie i současný žánr fantasy, nejkřiklavějšími příklady jsou asi Pán prstenů a Harry Potter. Od H. G. Wellse a jeho románu Neviditelný si tento jev našel cestu také do sci-fi literatury a od té doby se objevují pokusy vymyslet, jak by neviditelnost mohla fungovat i „fyzikálně“. Samozřejmě že tato snaha byla zpočátku vágní a ve skutečnosti nic nevysvětlující – například pomocí odkazů na nějaké „čtvrté rozměry“.

Cesta ke skutečné neviditelnosti začala poměrně paradoxně. Ruský fyzik Viktor Veselago si v 60. letech 20. století všiml, že Maxwellovy rovnice popisující šíření elektromagnetických vln umožňují řešení se záporným indexem lomu. Tato řešení se dlouho pokládala za pouhou matematickou kuriozitu, jíž v realitě fyzikálně nic neodpovídá. Veselago se původně neviditelností vůbec nezabýval. Fakt, že se látky se záporným indexem lomu podařilo zkonstruovat, vyvolává pak určitě zvláštní pocit – jako by matematický popis nebyl jen modelem reality, ale současně realitu i sám určoval.

Metamateriály

Klíčovým pojmem technik pro dosažení neviditelnosti jsou tzv. metamateriály, látky, které opravdu mají záporný index lomu. Jak si to představit? Fyzik Jason Valentine z University of California v Berkeley zřejmě jako první použil přirovnání, které zhruba řečeno říká toto: Hůl ponořená do vody se jakoby láme od pozorovatele. Ryba ve vodě se zdá být dál, než je ve skutečnosti. U látek (respektive spíše struktur, viz dále) se záporným indexem lomu by se hůl lámala směrem k nám a ryba by k nám byla blíže – ba mohla by být pro náš zrak až nad hladinou vody (respektive metamateriálu). Taktéž ponoření tyče by působilo dojmem, že namísto toho vykoukla ven. Tohle vše přitom funguje v zásadě v „normálním makrosvětě“, ne v exotických podmínkách na úrovni kvantové fyziky nebo někde v černé díře. I svět lidských měřítek může být prostě překvapivý.

Materiály se záporným indexem lomu se proto celkem pochopitelně dlouho pokládaly za fyzikální nemožnost. Mají i jiné nezvyklé vlastnosti, například zápornou magnetickou permitivitu a permeabilitu a rovněž tak záporný Dopplerův posun.

Jak to ale souvisí s neviditelností? Snad stojí za to začít u látek průhledných. Průhlednost znamená, že světlo může látkou procházet a neodráží se zpět. Průhledné mohou být plyny a kapaliny, jejichž atomy či molekuly jsou relativně daleko od sebe. U pevných látek mohou být průhledné krystaly, kdy je uspořádání atomů tak pravidelné, že mezi nimi z pohledu světelného paprs­ku vznikají „kanálky“. Stejné optické vlastnosti kupodivu mohou mít i pevné nekrystalické látky, např. sklo – ty ale zase proto, že tyto tzv. amorfní látky sdílejí mnoho vlastností s kapalinami.

Základem průhlednosti metamateriálů je úplně jiný mechanizmus – něco jako obtékání. Pokud světelné vlny obtečou předmět podobně, jako se vlny na řece stáčejí kolem kamenu, a dál budou pokračovat původním směrem, bude světelný paprsek propojovat lidské oko s předměty, které jsou „striktně geometricky“ zakryté. Právě takto se samotný obtékaný předmět stane fakticky neviditelným. (V zásadě nás při tom ani moc nezajímá, jak se chovají vlny jdoucí od pozorovatele k předmětu – pokud se neodrážejí; chceme-li docílit iluzi neviditelnosti, potřebujeme, aby příslušný předmět „obepluly“ vlny mířící z pozadí do oka pozorovatele.) Záporný index lomu odpovídá právě tomuto „stáčení“ vln světla. Metamateriály se proto dají použít jako obdoba pláště neviditelnosti, do nichž zabalíme ukrývaný předmět.

V přírodě podle všeho neexistuje vůbec nic, co by se svými vlastnostmi metamateriálům byť jen blížilo. Mnoho technických aplikací se v poslední době snaží najít nějakou inspiraci ve světě přírody, existují evoluční algoritmy či genetické programování, metamateriály naopak rozhodně ukazují, že v lidských možnostech je i vymyslet a sestrojit něco zcela nového.

Většina z metamateriálů má určité strukturní podobnosti (u původních například střídání kovů a izolantů), ale v zásadě je spojuje pouze funkčnost – požadovaná manipulace s indexem lomu. Struktura metamateriálů je složená z různě uspořádaných destiček a kanálků, ovšem konkrétní geometrické uspořádání i chemické složení jednotlivých komponent se případ od případu liší. Jeden z novějších metamateriálů je například tvořen vrstvou stříbra protkaného v oxidu hořečnatém a vrstvou (respektive spíše „sítí“) stříbrných nanovláken v porézním oxidu hlinitém. Další možný materiál představují kousky zlata zapuštěné do skla. Jako podklad pro kovové struktury lze použít i teflon nebo keramiku, zkoušejí se i různé kovové destičky s otvory, zapuštěné do oxidů india a cínu.

Překážky neviditelnosti

Za otce reálných metamateriálů je považován fyzik John Pendry z Královské univerzity v Londýně. První zneviditelnění se podařilo roku 2006 výzkumníkům na Dukeově univerzitě v Durhamu v Severní Karolíně (tým vedl David Schurig): v mikrovlnném spektru dokázali zneviditelnit měděný váleček o velikosti řádově centimetrů.

Technologie se od svého počátku potýkají se dvěma hlavními problémy. Jednak fungují primárně jen pro delší vlnové délky, za druhé v omezeném rozsahu spektra, nikoliv univerzálně. Mimo „účinný rozsah“ se metamateriál chová úplně běžným způsobem, tedy jako látka s kladným indexem lomu.

Omezení vyplývají z toho, že vnitřní struktury (síťování) metamateriálu provádějící příslušná „kouzla“ musí totiž rozměrově odpovídat spektru, pro které mají vykazovat příslušné vlastnosti. Vlnová délka viditelného světla se pohybuje mezi 400 a 800 nanometry (u mikrovln jsou to jednotky cm). Chceme-li tedy docílit neviditelnosti ve viditelné části spektra, je třeba se v konstrukci metamateriálu přiblížit téměř k manipulaci na úrovni jednotlivých atomů (téměř, ne úplně – velikost atomů je řádově v desetinách nm) a poskládat je na příslušná místa. Vývoj metamateriálů tedy přímo souvisí s pokrokem na poli nanotechnologií.

V této oblasti dochází ale k celkem překotnému vývoji, už v roce 2007 se například podařilo vytvořit metamateriál na horní hranici viditelného světla, v červené oblasti (okolo 780 nm). Tento projekt vedl Vladimir Shalaev z Purdue Univerzity.

Problém omezení na relativně malý účinný rozsah spektra prozatím přetrvává. Samozřejmě že takto lze skrývat předměty před konkrétním detektorem (noční infravidění ve vojenských aplikacích apod.), je-li ale řeč o „neviditelnosti“, žádá se pokrýt celé viditelné spektrum. Možná že nakonec bude neviditelný metamateriál muset být sestaven z vrstev, z nichž každá bude zneviditelňovat pro určitou oblast, půjde tedy o složitý „kabát“ s mnoha podšívkami. Spíše než plášť by takový materiál připomínal mnohovrstevnatý pancíř tanku.

První metamateriály měly také strukturu navrženou tak, že dokázaly patřičným způsobem manipulovat pouze se světlem dopadajícím v určitém směru. Při pohledu z boku byl už „neviditelný“ předmět naopak viditelný normálně. Vnitřní strukturu metamateriálu bude tedy třeba modifikovat tak, aby se dosáhlo průhlednosti ze všech stran. Lze předpokládat spíše postupný pokrok, například rozšiřování úhlu, v němž bude struktura vykazovat příslušný účinek.

Nakonec, metamateriály fungují s různou účinností také v tom smyslu, že ne vždy dokážou zcela eliminovat odrazy a stíny.

Rozvoj aplikací

Poslední výsledky jsou ale poměrně nadějné. Tým, který ved­l Xiang Zhang z Berkeley Lab, vytvořil loni plášť neviditelnosti trochu jiného typu. Jednalo se o „koberec“, jímž se zakryl předmět, který bylo třeba schovat. Samotný koberec viditelný byl, ale zmizela výduť, protože vlastnosti povrchu byly navrženy tak, aby se od vyboulení světlo odráželo stejně jako od rovné plochy. Tato technika již funguje pro viditelné spektrum a dokonce pro všechny jeho délky. Koberec je tvořen křemíkovou deskou, v jejíž struktuře je síť polymerů s otvory vzdálenými od sebe asi 110 nanometrů. Zneviditelnění předmětu funguje v tomto případě i pro světlo dopadající na povrch pod různými úhly. Zajímavé je, že zatímco předešlé starší metamateriály byly tvořeny střídajícími se strukturami kovů a izolantů, zde je vše složeno výhradně z nevodivých látek. Dalším stupněm má být logicky zneviditelnění samotného koberce.

Zajímavé výzkumy probíhají také na Universitat Autónoma v Barceloně. Vědci zde usilují učinit tělesa neviditelnými pro jiné typy elektromagnetického záření: pro televizní a rádiový signál, nebo dokonce pro zemské magnetické pole. Pro tyto aplikace se zatím používají především supravodiče, které pokud se určitým způsobem uspořádají, jsou patřičným způsobem obtékány magnetickým polem. Takové odstínění by mělo smysl třeba v medicíně, kde by umožňovalo zdokonalit pořizování magnetoencefalogramů nebo magnetokardiogramů, které by neinterferovaly s jinými magnetickými poli. Proti magnetodetekci by tímto způsobem mohly být chráněny i lodě nebo ponorky.

Allan Greenleaf z University of Rochester spolu s týmem z dalších vědeckých institucí se snaží zneviditelnit nikoliv jen předměty, ale i spojnice mezi nimi. Výsledkem by měly být neviditelné „kanály“, které by nijak elektromagneticky neinterferovaly s vnějším světem, ale mohly by jimi proudit informace. Vědci tyto spojnice označují za obdobu červích děr v teorii relativity/kosmologii. Kromě utajení komunikace se nabízejí opět aplikace v medicíně, například magnetická rezonance by se dala kombinovat s použitím kovových předmětů. Neviditelná a vzájemně se neovlivňující optická vlákna by také mohla umožnit konstrukci 3D televizí – nikoliv s iluzí 3D obrazu, ale skutečně zařízení, v nichž by se jednotlivé body zobrazovaly v různé hloubce.

Obecně metamateriály díky zápornému indexu lomu znamenají také překonání současné mikroskopie, v níž je velikost zobrazeného předmětu limitovaná vlnovou délkou záření. Mikroskop s čočkou z metamateriálu by měl umožnit třeba molekulu DNA prostě vidět i ve viditelném spektru. Metamateriály budou mít nejspíš i celou řadu dalších aplikací, například by se mohly stát základem magnetů nové generace.

Elektronika a procesory

Jak už bylo řečeno, vývoj metamateriálů je úzce spojen s pokrokem nanotechnologií. Techniky neviditelnosti se ale hodně překrývají také se světem elektroniky. Úsilí vyrábět materiály se stále menšími strukturami (kvůli vlnové délce, viz výše) je obdobou miniaturizace v elektronice. Pro praktické nasazení je důležité, aby se výrobu metamateriálů podařilo nějak standardizovat a cenově zefektivnit. Nadějná se zdá být nějaká obdoba optické litografie, kterou se vyrábějí současné čipy. Přechod od plošných spojů k tranzistorům uspořádaným ve 3D je zase technologicky podobný snaze připravit metamateriál ne jako destičku, ale jako prostorový objekt fungující proti světlu dopadajícímu ze všech stran.

Analogie mezi metamateriály a elektronikou jsou ale ještě hlubší. Optické čipy, které pro zápis informace užívají světlo namísto elektronů, fungují totiž podobně jako metamateriály, tj. také mění na velmi malých vzdálenostech index lomu. Může se stát, že vývoj technologie neviditelnosti tak bude hlavně výsledkem obrovských investic do snahy najít náhradu za křemíkovou elektroniku, vedlejším efektem jiných výzkumů.

Vidět a být viděn

Při výčtu omezení současných metod nepadla ještě důležitá skutečnost: protože světelné vlny předmět zahalený „pláštěm“ obtečou, není ani zevnitř vidět ven. To se zdá být značně omezující např. pro aplikace ve vojenství – neviditelný tank, sen mnoha armád, by musel být buď řízen zcela automaticky, nebo by jeho trasa musela být naprogramována předem. Nicméně i tak by samozřejmě mělo smysl takto maskovat zbraně nebo i celé vojenské objekty před akcí.

Huanyang Chen ze šanghajské Jiao Tong University proto vyvíjí jakýsi „antiplášť“, který by umožňoval zevnitř vidět ven. Pokud by se tento antiplášť (taktéž vyrobený z metamateriálů) dal naopak před původně zneviditelněný předmět, zase bychom ho odhalili. Je možné, že v budoucnu budou na poli armádních technologií probíhat příslušné „závody ve zbrojení“ mezi maskovacími a odmaskovávacími technikami. Protože ale samotná neviditelnost je teprve v plenkách, je asi v tuto chvíli třeba uznat, že funkční antiplášť je za hranicemi možností současných technologií.

Další přístupy

Cesta k neviditelnosti nemusí být založena pouze na obtékání světelných vln. Jiným možným přístupem je „promítání“, tedy zakrytou scénu vyfotografovat a promítnout ji zepředu na příslušný předmět. Techniky tohoto typu mají ale dosud také celou řadu omezení. Je-li promítaný obraz konstantní, lze trik například snadno odhalit při pohybu očima, pro větší věrohodnost by proto bylo třeba promítat hologramy.

Uvedené postupy se ovšem používají i v praxi, byť ne vysloveně pro dosažené neviditelnosti. Pilotovi v přistávajícím letadle může být na podlahu stroje promítán terén (takže podlaha sama je pak de facto neviditelná). Yaser Sheikh z Carnegie Mellon University v Pittsburgu navrhuje promítat takové obrazy i na čelní skla automobilů – například kamerami snímat, co se děje „za zdí“. Výsledkem by opět byl stav, jako by všechny předměty byly průhledné, což by mělo omezit nehody vzniklé třeba následkem toho, že řidič nevidí auto směřující do křižovatky z boku.

Ulf Leonhardt z University of St. Andrew přišel s myšlenkou docílit neviditelnosti i bez použití metamateriálů a záporného indexu lomu pomocí metody zvané „aktivní zahalování“. Tento přístup zastává i Graeme Milton z University of Utah. Zatím se jedná spíše o matematický koncept, funkční prototyp k dispozici nemáme. Generováním nových vln lze vyvolat efekt průhlednosti, metoda nijak neřeší, pokud předmět vlny odráží. Ještě fantasknější je pak idea generovat přesně sladěné „protivlny“, které by vyrušily vlny nežádoucí. Kromě aplikací v optice by podobné metody mohly v principu vyrušit třeba zemětřesení nebo tsunami, to je však opět ještě zcela mimo možnosti současných technologií.

Utopie, nebo realita?

„Během několika málo nejbližších desetiletí nebo alespoň během tohoto století, by se některý ze způsobů dosažení neviditelnosti mohl stát každodenní skutečností,“ uvádí fyzik a popularizátor vědy Michio Kaku ve své knize Fyzika nemožného.





Komentáře