Fyzika neviditelného pláště Tomáš Tyc Zajímavá fyzika, 2021 Jak učinit předmět neviditelným? 2 Jak učinit předmět neviditelným? 1. možnost: světlo projde skrze objekt Wellsův „Neviditelný 2 Jak učinit předmět neviditelným? 2. možnost: kamufláž 2 Jak učinit předmět neviditelným? Neviditelný muž – Liu Bolin 2 Jak učinit předmět neviditelným? 2 Jak učinit předmět neviditelným? Scéna za objektem je monitorována a promítána na jeho přední stranu 2 Jak učinit předmět neviditelným? 3. možnost: světelné paprsky objekt obejdou a vrátí se do původního směru – neviditelný plášť 2 Záchrana tonoucího � 4 Záchrana tonoucího � � 4 Fermatův princip Světelné paprsky se snaží dostat z jednoho místa na druhé za nejkraší čas sklo vzduch A B Světlo minimalizuje dráhu měřenou nikoli obyčejnou délkou, ale optickou délkou 5 Fermatův princip Světlo v prostředí, kde se index lomu mění spojitě silnice A B 6 Stín plamene prozářeného dataprojektorem 8 Metamateriály Ještě exotičtější optické vlastnosti nabízejí tzv. metamateriály Světlo se může velmi zpomalit nebo naopak zrychlit Fungují na principu „umělých atomů Elementy menší než vlnová délka použitého světla 9 Metamateriály 9 Metamateriály 9 Metamateriály 9 Metamateriály 9 Transformační optika C A B A B C Světlo se šíří ve virtuálním prostoru s konstantním indexem lomu, paprsky jsou přímky Geometrická vzdálenost se nezachovává Pomocí vhodného optického prostředí lze obě optické dráhy učinit stejnými Ve fyzikálním prostoru se světlo bude šířit po obrazech f (L) přímek L ve virtuálním prostoru 11 Index lomu je obecně anizotropní (v různých směrech různý) Je nutné kontrolovat elektrickou i magnetickou odezvu materiálu, ideálně platí ˆε = ˆµ („impedance matching ) 12 Transformační optika Index lomu je obecně anizotropní Je nutné mít pod kontrolou jak elektrické, tak magnetické vlastnosti materiálu Praktická realizace – metamateriály 13 Neviditelnost Dva průkopnické články: [U. Leonhardt, Science 312, 1777 (2006)] [J. B. Pendry, D. Schurig, D. R. Smith, Science 312, 1780 (2006)] 14 Neviditelnost Eukleidovský neviditelný plášť [J. B. Pendry, D. Schurig, D. R. Smith, Science 312, 1780 (2006)] 15 Neviditelnost 16 Experiment V roce 2006 byla neviditelnost realizována pro mikrovlny [D. Schurig et al, Science 314, 977 (2006)] 17 Experiment V roce 2006 byla neviditelnost realizována pro mikrovlny [D. Schurig et al, Science 314, 977 (2006)] 17 Experiment V roce 2006 byla neviditelnost realizována pro mikrovlny [D. Schurig et al, Science 314, 977 (2006)] 17 Problém Problém – rychlost světla v některých místech prostoru jde k nekonečnu a toho lze docílit jen pro jednu barvu světla 18 Jiný typ pláště – „Hiding under the carpet [J. Li, J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 101, 203901 (2008)] 19 Jiný typ pláště – „Hiding under the carpet [J. Li, J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 101, 203901 (2008)] 19 Jiný typ pláště – „Hiding under the carpet [J. Li, J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 101, 203901 (2008)] Realizace pro mikrovlny: [R. Liu, et al., Science 323, 366 (2009)] Realizace pro infračervené světlo: [L. Gabrielli et al., Nature Photonics (2009)] 19 Carpet cloaks ale nefungují pro všechny úhly pohledu! 20 Carpet cloaks ale nefungují pro všechny úhly pohledu! Lze navrhnout všesměrový plášť bez optických singularit? 20 Carpet cloaks ale nefungují pro všechny úhly pohledu! Lze navrhnout všesměrový plášť bez optických singularit? Ano! 20 Neeukleidovský plášť Ingredience: Optická konformní zobrazení, transmutace singularit, neeukleidovská geometrie 21 Neeukleidovská geometrie Světlo se na zakřiveném povrchu pohybuje po geodetikách – „nejpřímějších možných křivkách 22 Neeukleidovská geometrie Součet úhlů v trojúhelníku nemusí být 180 stupňů 23 Neeukleidovská geometrie Rovnoběžky v neeukleidovském prostoru se mohou protínat 24 Neeukleidovská geometrie Rovnoběžky v neeukleidovském prostoru se mohou protínat 24 Neviditelnost využívající zakřivený prostor Náš návrh neviditelnosti využívá geometrii zakřiveného prostoru [U. Leonhardt a T. Tyc, Science 323, 110 (2009)] 25 Neviditelnost využívající zakřivený prostor 25 Neviditelnost využívající zakřivený prostor 25 Trajektorie paprsků ve 3D 26 Plášť s rychlostí světla všude menší než ve vakuu 27 Plášť s rychlostí světla všude menší než ve vakuu Neviditená koule, index lomu roste směrem ke středu 28 Plášť s rychlostí světla všude menší než ve vakuu Kombinací neeukleidovského pláště a neviditelné koule snížíme všude rychlost světla pod c 29 Mnohoúhelníkový plášť [H. Chen, B. Zheng, Scientific Reports 2, 255 (2012)] 30 Mnohoúhelníkový plášť 31 Nevýhody neviditelného pláště Neviditelné pláště jsou zajímavé, ale mají i své nevýhody 32 Nevýhody neviditelného pláště Neviditelné pláště jsou zajímavé, ale mají i své nevýhody V plášti by nešlo se pohybovat 32 Nevýhody neviditelného pláště Neviditelné pláště jsou zajímavé, ale mají i své nevýhody V plášti by nešlo se pohybovat Neviditelný by neviděl ven 32 Nevýhody neviditelného pláště Neviditelné pláště jsou zajímavé, ale mají i své nevýhody V plášti by nešlo se pohybovat Neviditelný by neviděl ven Nemohl by k němu vzduch, takže by se po čase udusil 32 Nevýhody neviditelného pláště Neviditelné pláště jsou zajímavé, ale mají i své nevýhody V plášti by nešlo se pohybovat Neviditelný by neviděl ven Nemohl by k němu vzduch, takže by se po čase udusil Velmi omezené využití, pokud vůbec nějaké 32 Nevýhody neviditelného pláště Kolik elementů obsahuje 1 m3 pláště? Jeden element: 1 5000 mm Na 1 metr . . . 5 000 000 elementů Na 1 metr krychlový . . . 5 000 000 3 = 125 000 000 000 000 000 000 = 1,25 . 1020 elementů Od Velkého třesku uplynulo asi 15 miliard let = 4,4 . 1017 sekund Vyrobit 300 elementů každou sekundu od Velkého třesku až doteď! 33 Závěr Moderní optika ukázala, že neviditelnost je možná Metamateriály slibují její realizaci Zatím ji lze uskutečnit jen pro mikrovlny, ale pracuje se na metamateriálech pro optické frekvence Neeukleidovský plášť umožňuje funkčnost pro širší oblast spektra Prakticky – neuvěřitelně drahá věc, která se téměř k ničemu nehodí Teorie neviditelnosti je ale velmi krásná Další cesty – holografická neviditelnost,. . . 34