Srpen 2007

Neviditelnost se stává realitou

Ludvík Reiter

Schopnost být neviditelným se táhne uměním od antických bájí přes Verna a Wellse až k Harrymu Potterovi. Fyzikové však donedávna byli k praktickým možnostem něco takového realizovat skeptičtí. Poslední dobou se však situace rychle mění: zprávy o dílčích úspěších přicházejí z laboratoří stále častěji. „Udělali jsme první dílčí krok k tomu, abychom vytvořili zařízení v podobě jakéhosi pláště, který učiní předmět uvnitř neviditelný ve všech vlnových délkách světla,“ říká Vladimir Shalev z Purdue University.

Společně se svými spolupracovníky Robertem a Anne Burnetovými do podoby návrhu konstrukce laboratorního zařízení rozpracoval teoretické studie týkající se optické neviditelnosti, které loni zveřejnili britští vědci Ulf Leonhardt z University of St. Andreas a sir John Pendry z Imperial College.

Od kamuflážních nátěrů k metamateriálům

O neviditelnost jeví zájem vojáci odedávna, dlouho se však museli spokojit jen s nepříliš účinnými kamuflážními nátěry. Také novější pokusy založené na materiálech měnících barvy podle pozadí a podobných technologiích byly pouze nedokonalou náhradou toho, co uměla Perseova přilba neviditelnosti – dar bohyně Athény – už ve starých antických bájích.

Naproti tomu technologie stealth uplatňující se poslední desetiletí v letectví pouze zhoršovala možnost odhalit stroj radarem, avšak neměla žádný vliv na to, jak se letoun jeví lidskému oku nebo kamerám.

Skutečné neviditelnosti je možné docílit pouze jediným způsobem: stačí nějak zařídit, aby se světlo všech vlnových délek objektu vyhnulo a za ním zas pokračovalo svou původní cestou. Dalším předpokladem je, aby se ani malá část neodrážela od povrchu zpět. Vychýlit dráhu světelných paprsků lze například silným gravitačním polem – to však je z mnoha důvodů nejen nerealizovatelné, ale také dost nepraktické. Tímto způsobem by totiž vznikla malá černá díra, která by definitivně spolkla nejen předmět, který měla chránit, ale i vše ve svém okolí. Nadějnější je změnit optické vlastnosti okolí objektu tak, aby se světelné vlny podle něj žádoucím způsobem ohýbaly. I to je však z mnoha důvodů velmi obtížné.

Teoretické práce zmíněných britských vědců ale ukázaly, že je tu ještě jedna cesta: žádoucí optické vlastnosti mohou mít i pevné povrchy. Díky zvláštní struktuře pak dokáží usměrňovat elektromagnetické záření tak, aby předmět obtékalo. Těmto látkám se říká metamateriály.

„Připadá vám to snad jako sci-fi?“ pokládá řečnickou otázku jeden z autorů teorie profesor John Pendry. A v zápětí si na ni sám odpovídá. „Teoreticky to vůbec žádná fantazie není. Všechno teď záleží už jen na tom, jak si s touto teorií poradí inženýři.“

Noční neviditelnost

A inženýři financovaní především vojáky rozhodně nezahálejí. Už na podzim loňského roku ohlásili první úspěch vědci z americké Duke University, kteří s britskými teoretiky úzce spolupracovali. Podařilo se jim díky využití metamateriálů docílit toho, aby objekt byl neviditelný pro určitou oblast mikrovlnného záření, pokud se pozorovatel nacházel v jedné rovině se zdrojem paprsků. Látka, kterou použili odborníci k „ušití“ pláště neviditelnosti, se skládala z měděných prstenců vhodných rozměrů a z vodivých vláken zabudovaných do kompozitní sklolaminátové desky. Mikrovlnné záření vedené tímto materiálem při pokusech „obešlo“ prostor o průměru asi 12 centimetrů a za ním se zase spojilo.

Vědci z Birck Nanotechnology Center na Purdue University se však nyní dostali ještě mnohem dál. Zveřejnili popis zařízení, které dokáže zneviditelnit objekt pro konkrétní vlnovou délku viditelného světla. Využívá metamateriál, jehož povrch tvoří velké množství speciálně uspořádaných nanovláken o průměru deseti nanometrů a dlouhých stovky nanometrů.

„Zatím se nám podařilo vymyslet konstrukci, která dovoluje ukrýt předmět pro vlnovou délku 632,8 nanometru, což odpovídá červené barvě,“ konstatuje Shalev. „Teoreticky je však možné stejným způsobem docílit neviditelnost pro celý rozsah viditelného spektra. Představuje to velkou technologickou výzvu, věříme však, že je to možné. Nám ale nyní šlo především o to, rychle demonstrovat možnosti našeho řešení.“

I tento zjednodušený model se ale může uplatnit v praxi. Autoři upozorňují, že zneviditelní objekt před většinou běžných zařízení pro noční vidění. „Systémy pro noční vidění obvykle pracují jen s jednou vlnovou délkou světla,“ upozorňuje Shalev. „Teoreticky je proto snadné na základě našeho principu sestrojit povrch, který objekt v noci dokonale ukryje i před dobře vybaveným pozorovatelem.“

Jako když se hůl ponoří do vody

Běžné průhledné homogenní látky jako třeba sklo, některé plasty, kapaliny nebo plyny ovlivňují šíření světla díky svému indexu lomu. Tento poznatek zná snad každý ještě z doby, kdy chodil do základní školy. Určitě si většina z nás pamatuje větu tvrdící, že „hůl do vody ponořená zdá se býti nalomená“. Tento úkaz je důsledkem toho, že při přechodu světla z jedné látky do druhé se změní rychlost jeho šíření. Naproti tomu u metamateriálů nezáleží ani tak na složení, jako na uspořádání struktur zabudovaných v povrchu. Nejčastěji jde o útvary v podobě vláken nebo prstenců, jejichž velikost odpovídá vlnové délce záření, na které má působit. Pro mikrovlnné záření jde o rozměry řádu centimetrů až decimetrů a struktury jsou z magnetických materiálů. To je poměrně snadno dosažitelné, jak ukázal pokus, který uskutečnili vědci v loňském roce na Duke University ve Spojených státech.

Pro viditelné světlo ovšem jde o rozměry řádu mikrometrů, což už je mnohem obtížnější. Pro tento účel navrhují odborníci z Purdue University tzv. nemagnetické metamateriály. Jsou uspořádány do nanovláken o průměru odpovídajícím vlnové délce „vedeného“ světla. Dnes již není zhotovení takových struktur nemožné, protože jejich rozměry odpovídají nanovláknům, která jsou předmětem intenzivního výzkumu i z jiných důvodů. Označení „metamateriál“ vychází z řecké předpony „meta-“ znamenající „mimo-“. Má naznačovat, že jde o umělý nepřírodní výtvor, ale není to úplně přesné. Struktury s podobnými vlastnostmi se nacházejí například v opálech, což způsobuje efektní hru barev a světel na povrchu tohoto ceněného drahokamu.

Není také bez zajímavosti, že k metamateriálům se málem dopracovali shodou náhod už v antickém období staří Římané. Používali sklovinu s rozptýlenými nanočásticemi zlata, která měnila barvu v závislosti na směru dopadajících paprsků. „Byl to vlastně první umělý metamateriál,“ komentuje římskou dovednost britský vědec Ulf Leonhardt z University of St. Andreas, aby vzápětí dodal překvapující informaci: „Matematické simulace ukazují, že jen malá modifikace by dokázala udělat z římského skla zařízení pro neviditelnost. Kdybyste do takové vázy vkládali nějaký předmět, vypadalo by to, že se rozplynul ve vzduchu.“

(Lidové noviny, www.lidovky.cz)