Pozabite na Harryja Potterja in spoznajte znanost v ozadju resničnih nevidnih zastorov.
Preden začnemo delati stvari nevidne, moramo najprej razumeti, kaj jih sploh dela vidne.
Fizika je pri tem natančna: ko elektromagnetno valovanje zadene površino predmeta, so možne tri reakcije – lahko se odbije, lomi ali vpije. Pri tem nastane značilni vzorec, odvisen od vrste materiala, kar zaznamo z očmi (če je valovanje v območju vidnega spektra) ali z različno elektronsko opremo.
Če torej želimo, da predmet postane neviden, je najbolj preprosto in logično, da elektromagnetnim valovom nekje med virom in sprejemnikom prekinemo pot.
Najlažje to dosežemo tako, da preprečimo odboj in da predmet vso vpadlo valovanje vsrka.
Tehniko plazemskega ščita so raziskovalci razvili zato, da je predmet na radarskem zaslonu neviden. Plazma je tok prostih ionov in elektronov, ki vsrka elektromagnetni val in njegovo energijo razprši v okolico. Če bi lahko letalo zavili s plaščem plazme, bi ta lahko vsrkala vse vpadajoče radarske valove in letala na radarskem zaslonu ne bi mogli zaznati. Na žalost plazma žari in letalo se še vedno vidi s prostim očesom.
Predmet je človeškemu očesu neviden tudi, če vsrka vso vpadlo svetlobo. V Nasi so na primer z uporabo ogljikovih nanocevk razvili prevleko, ki vsrka 99 odstotkov vpadlega elektromagnetnega valovanja v ultravijoličnem, vidnem, infrardečem in daljnem infrardečem delu spektra. Predmeti, ki jih skriva ta prevleka, so intenzivno črni. Tako lahko skrijemo satelite v temini vesolja. Toda v vesolju je še vedno dovolj svetlobe in opazovalcu na Zemlji bi bil popolnoma črn predmet sumljiv.
Bolj učinkovit postopek je optična kamuflaža, tako da oponašamo okolico. S kamero posnamemo ozadje, povežemo jo s projektorjem in projiciramo posnetek na predmet. To tehnologijo v slogu Harryja Potterja in njegovega nevidnega plašča še razvijajo, ker iluzija deluje le, dokler opazujemo telo iz enega kota. Projicirano sliko moramo usmeriti proti plašču frontalno, tako da se odbije do očesa opazovalca, kot da bi prihajala iz pravega ozadja. To dosežemo tako, da uporabimo odsevnike (mačje oko). Običajno hrapava površina sipa svetlobo v vse smeri, medtem ko zrcalno gladke površine obijajo vpadlo svetlobo pod enakim kotom, kot je vpadla. Odsevnik se obnaša drugače. Deluje kot majhna prizma, ki v notranjosti dvakrat odbije svetlobo, tako da jo vrne natančno v smer, od koder je prišla. Kljub nekaterim pomanjkljivostim je ta tehnologija uporabna še na drugih področjih. Piloti bi na primer morda nekoč lahko gledali skozi tla letala, kar bi jim pomagalo pri pristajanju.
Najbolj obetaven nevidni plašč dejansko ukrivi svetlobo, tako da ta ne zadene objekta, ki ga hočemo skriti. Sleherni material ima lomni količnik, to je število, enako razmerju hitrosti svetlobe v materialu in hitrosti svetlobe v vakuumu. Vse snovi v naravi imajo pozitivni lomni količnik (tudi voda in zrak), kar pomeni, da svetloba skoznje potuje počasneje kot skozi vakuum.
Ko svetloba prehaja iz enega materiala v drugega, se spremeni lomni količnik, kar svetlobi spremeni smer. Če se lomni količnik spremeni v trenutku, na primer pri prehodu svetlobe iz vode v zrak, se svetloba lomi in spremeni smer. Če se lomni količnik spreminja zvezno, se svetlobni žarki gibajo v obliki krivulje.
To ni tako nenavadno, kot se sliši. V puščavi žareč pesek ogreje zrak tik ob zemlji. To ustvari temperaturno razliko (gradient), kar hkrati povzroči, da se zvezno spreminja lomni količnik zraka. Ko svetloba potuje skozi to plast, se ukrivi navzgor in ustvari iluzijo, da je na tleh mlaka, čeprav je to v resnici odsev neba (fatamorgana). Če umetno poustvarimo te razmere, lahko skrijemo predmet tako, da svetlobne žarke ukrivimo stran od predmeta.
Ogljikove nanocevke, debele samo za eno molekulo grafena, so vrhunec sodobne tehnologije pametnih materialov. So zelo prevodne, lahko jih hitro segrejemo ali ohladimo. Če skozi plast nanocevk, potopljenih v vodo, pošljemo električni tok, lahko oponašamo nastanek slike v puščavi. Ko tok teče skozi nanocevke, se segreje tudi voda, ki jih obdaja, zato se svetloba ukrivi in cevke izginejo. Bolj natančno, naše oči jih ne vidijo več.
Na žalost ta metoda za zdaj deluje le pod vodo.
Če bi za ustvarjanje nevidnosti poskušali izkoristiti učinek fatamorgane, bi spoznali, da ima nekaj omejitev. Posebej ustvarjeni materiali vendarle omogočajo, da ukrivimo elektromagnetne valove bolj ali manj po svojih željah. Metamateriali imajo negativni količnik, zato lahko elektromagnetnim valovom spremenijo smer in jih ukrivijo. Če uporabimo kolobar, narejen iz rešetkasto oblikovanega metamateriala, lahko mikrovalove ukrivimo okrog majhnega predmeta in ga naredimo očem nevidnega.
Za delovanje te tehnike mora val, ki vpade na zastor, biti popolnoma identičen valu, ki ga zapusti. Valovanje potuje okrog predmeta po krivulji, zato različni valovi prepotujejo različno dolge razdalje. Če se val, ki prepotuje najkrajšo pot, giba s svetlobno hitrostjo, se morajo drugi gibati hitreje. Presenetljivo je, da to ne nasprotuje zakonom fizike, ki zapovedujejo, da se informacija ne more širiti hitreje od svetlobe. Dokler val z eno samo valovno dolžino potuje skozi zastor, ne nastane nobena nova informacija, zato se valovi lahko premikajo z različnimi hitrostmi in se srečajo na drugem koncu.
Prenos te tehnologije v vidni spekter je velik izziv. Plašč, ki bi ukrivil samo eno valovno dolžino, bi povzročil, da ne bi videli zgolj ene barve. Celo če bi bilo možno ukriviti vse valovne dolžine spektra hkrati, bi to pomenilo, da ne more nobena svetloba doseči središča plašča. Drugače povedano: če bi se skrili pod takšen plašč, bi lahko bili sicer nevidni, a hkrati tudi sami ne bi mogli ničesar videti.
O mehkem, skrivnostnem in upogljivem Harryjevem plašču, s katerim bi se res lahko ogrnili in se pod njim skrili, za zdaj na žalost lahko le še sanjamo.
Tehnologije nevidnosti pa vendarle ne smemo prezreti. Ponuja veliko možnosti za uporabo na številnih drugih področjih: od skrivanja bojnih letal do tega, da vidimo prozorne notranje organe med kirurškimi posegi.
Več o Ultimativni tehnologiji nevidnosti
Vsako telo ali vozilo seva toploto, kar zaznajo infrardeče kamere. Če spremenimo toplotni profil, ki ga seva tank, ga lahko naredimo nevidnega.
Vozilo je prekrito s ploščami, ki tvorijo vzorec čebeljega satja. Vsako ploščo lahko različno hladimo in ji tako spreminjamo temperaturo. Ne samo da se tako tank ali katerikoli drug predmet, na primer helikopter, zlije s temperaturo okolja, s ploščami lahko naredimo še veliko več. Če zvišamo njihovo temperaturo, lahko na njih ustvarimo alternativne slike po svojih željah. Sevalni vzorec tanka torej lahko prilagodimo tako, da na primer oponaša sevanje manjšega družinskega avtomobila.
Nevidnost na filmskih platnih
Narediti nevidni zastor in doseči, da postanejo igralci nevidni, je v filmu veliko bolj preprosto kot v resničnem življenju.
Pomagamo si s tehniko barvne modulacije, s pomočjo katere zložimo več slik v plast.
Najbolj znana je tehnologija zelenega ali modrega zaslona: igralca posnamemo pred enobarvnim zaslonom, nato pa z računalniško obdelavo iz slike odstranimo barvo ozadja in ga naredimo prozornega.
Obdelano sliko lahko nato naložimo na poljubno ozadje, kar daje vtis, da je igralec del navidezne scene.
Pri snemanju zato igralci ne smejo nositi oblek v barvi ozadja, saj bi sicer bili nevidni. Ampak za zastor nevidnosti potrebujemo prav tak učinek! Če se torej igralec obleče v oblačila, ki ustrezajo barvi ozadja, ga bomo z lahkoto odstranili s posnetka.
En dva tri in že ga več ni.
Prispevek je delno povzet po pisanju revije Kako deluje. V kolikor želite biti pogosteje v stiku s temi zanimivimi vsebinami, vas vabimo, da se na dvomesečnik Kako deluje tudi naročite.
