Pęknięta łyżka?

Można zaryzykować stwierdzenie, że ten widok znany jest przez wszystkich. Nie ma nic bardziej oczywistego niż widok łyżki zanurzonej w wodzie. Może nas tylko zastanawiać dlaczego wydaje się nam ona być pęknięta. Przecież, gdyby była ona złamana, nie miałaby szansy w ten sposób stać. Zawsze też możemy ją wyjąć ze szklanki i stwierdzić, że jest cała.

Skąd to złudzenie?

Odpowiedzi na to pytanie kilkaset lat temu udzieliła fizyka, a szczegółowiej opisanie zjawiska załamania światła. Załamanie to zakrzywienie promieni związane ze zmianą prędkości światła mającej miejsce przy przechodzeniu z jednego środowiska do drugiego (na przykład z wody do powietrza). Ponieważ promienie odbite od części łyżki zanurzonej w wodzie docierają do naszego oka pod trochę innym kątem niż te które poruszają się w powietrzu, ta część łyżki wydaje się być oddzielona od reszty.

Jednak nie zawsze zjawisko to przebiega tak jak widzi go np. rybak w łódce na poniższym obrazku, który może mieć problem z nieprawidłową lokalizacją dna jeziora oraz z umiejscowieniem ryb, gdyby tylko zaufał własnemu wzrokowi. Czasem w naturze występują kryształy, które mają zdolność do podwójnego załamywania światła. Efekt ten możemy zobaczyć na przykładzie rumianka oglądanego przez kryształ kalcytu. Zjawisko dwójłomności odkrył w 1669 roku Rasmus Bartholin a wyjaśnił Augustin J. Fresnel w pierwszej połowie XIX w wieku.

Można sobie postawić też pytanie, co by było gdyby istniały materiały o ujemnym współczynniku załamania Gdyby taką własność miała woda, naszym oczom wydawałoby się, że ryba płynie nad nią, a łyżeczka jest tak mocno wygięta na samej powierzchni, że nie zanurza się, lecz sterczy w górę.
Jeszcze niedawno była to czysta fikcja opisywana czasem przez optyków z bujną wyobraźnią lub autorów książek science-fiction. Spowolnienie światła opisywane jest poprzez współczynnik załamania danego materiału, który dla próżni wynosi n =1, a dla innych materiałów jest większy od 1.

Czy tak jednak musi być zawsze?

Jeszcze do niedawna uważano, że tak. Jednak jak donosi Science, 305, 788 – 792 (2004), w pracy “Metamaterials and negative refractive index,” autorstwa D.R. Smith, J. B. Pendry, M. C. K. Wiltshire, istnieje możliwość wytworzenia metamateriałów o współczynniku załamania mniejszym od 1, a w szczególności nawet i o ujemnej wartości. Możliwość istnienia materiałów o ujemnym współczynniku załamnia przewidział w 1964 r. Wiktor Wiesiełago, fizyk z Instytutu Fizyki Lebiediewa w Moskwie. Prawa optyki klasycznej ulegają w takim przypadku odwróceniu - światło odbija się, zamiast załamywać, i załamuje, zamiast ulec odbiciu. W dodatku pokonuje dłuższe trasy, powstaje więc wrażenie, jakby poruszało się szybciej niż w próżni. Nic więc dziwnego, że po dzień dzisiejszy fizycy z całego świata spierają się o to zjawisko, a metamateriały mają tyleż samo zwolenników co wrogów. Do entuzjastów tej teorii należy prof. Xiang Hang z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, w którego laboratorium pracuje się nad wytworzeniem materiałów, które mogą charakteryzować się ujemnym współczynnikiem załamania. Jeżeli prace te przyniosą efekt, to możliwe będzie wytwarzanie np. peleryny niewidki, która będzie tak załamywała światło, że promienie nie wnikną do jej wnętrza, lecz opłyną ją gładko. Najprawdopodobniej jednak peleryna będzie mogła zagwarantować niewidzialność związaną z jednym tylko typem fal. Niewidzialność działa jednak w obie strony. Osoba schowana, aby „widzieć”, będzie musiała użyć noktowizora, sonaru lub detektora mikrofal. Cała przestrzeń pokryta tak przygotowanym materiałem nie będzie istnieć dla promieniowania o określonej częstotliwości. Promienie nie wnikną do środka, prześlizgną się po ukrytym człowieku i nie pozostawią nawet cienia. Wszystko pod peleryną będzie tym samym osłonięte przed oddziaływaniem z zewnątrz. Można w ten sposób stworzyć zabezpieczenia przed szkodliwym promieniowaniem albo zapewnić sobie doskonały kamuflaż – „niewidzialność”.

Irena Fryc