Niewidzialność w zasięgu wzroku

Jarosław Chrostowski

29 Kwietnia 2008

Jeszcze kilka lat temu o niewidzialności można było przeczytać niemal wyłącznie w opowiadaniach science fiction. Dziś traktujemy ją jak realne zjawisko fizyczne, oferujące nam możliwości, o których jeszcze niedawno mogliśmy tylko pomarzyć.

Niewidzialność wydaje się egzotyczna i nienaturalna. Istnieje przecież tylko w świecie fantazji: w bajkach, komiksach, filmach takich jak "Predator", "Hollow Man" czy "Harry Potter". Nie warto jednak lekceważyć pomysłów tylko dlatego, że na pozór sprawiają infantylne wrażenie. W XX wieku fizycy nauczyli się, że ogromne postępy można poczynić, badając zjawiska niezwykle subtelne i często wymykające się zdrowemu rozsądkowi. Przyjrzyjmy się więc, co naprawdę kryje się za niewidzialnością i czy rzeczywiście jest ona zarezerwowana wyłącznie dla wytworów wybujałej wyobraźni fantastów.

Widzimy świat takim, jakim się nam wydaje, dzięki oddziaływaniu pola elektromagnetycznego, w którym jesteśmy zanurzeni, z materią, z której jesteśmy zbudowani my i nasze otoczenie. Kwanty promieniowania - fotony - są ustawicznie pochłaniane i emitowane przez atomy i cząsteczki zlepione w znane nam struktury: powietrze, przedmioty, rośliny, zwierzęta, ludzi.

Receptory wzrokowe w naszych oczach rejestrują część z tych fotonów (lub ich brak) i w odpowiedni sposób pobudzają ośrodki wzrokowe w mózgu, co ostatecznie prowadzi do wytworzenia wrażenia obrazu. To, co widzimy, nie jest więc wszystkim, co istnieje. Jest tylko tym, na co są wrażliwe nasze oczy.

Jak każdy detektor, oczy są czułe tylko na pewien określony rodzaj nośników oddziaływań. W przypadku ludzkiego narządu wzroku są to fale elektromagnetyczne o długości między 400 nm (wrażenie głębokiego fioletu) a 700 nm (wrażenie czerwieni). Jeśli fale docierające od obiektu będą spoza tego zakresu, odpowiednie receptory wzrokowe w oku nie zostaną pobudzone i nie zobaczymy nic.

Niewidzialność, czyli norma

Z tak rozumianą niewidzialnością stykamy się na co dzień. Doskonałym przykładem jest promieniowanie termiczne, które emitują wszystkie obiekty wokół nas. Odpowiadające mu fale elektromagnetyczne są dłuższe niż 700 nm, nie możemy więc ich zobaczyć. Jest ono dla nas niewidzialne, o czym boleśnie przekonał się każdy, kto dotknął gorącego czajnika, wyglądającego przecież tak samo, jak zimny. Nauczyliśmy się żyć z tą "cieplną niewidzialnością" i tak do niej przywykliśmy, że nawet nie traktujemy jej w kategoriach "niewidzialności".

W tym miejscu trudno jednak nie zadać pytania: jak wiele świata umyka naszemu wzrokowi? Wspomnieliśmy, że ludzkie receptory wzrokowe rejestrują fale świetlne z zakresu od 400 nm do 700 nm, co odpowiada fotonom o energiach - odpowiednio - od 3,1 eV do 1,8 eV (elektronowolta). Zatem cały rejestrowany przez nas przedział energetyczny promieniowania elektromagnetycznego to zaledwie 1,3 eV. Tymczasem 15 października 1991 roku, podczas eksperymentu Fly Eye przeprowadzanego w Utah w USA, zarejestrowano w atmosferze gigantyczną lawinę cząstek wtórnych. Jej sprawcą mógł być foton promieniowania kosmicznego o energii 3,2 ˇ 10²⁰ eV. To wartość gigantyczna - pojedynczy obiekt ze świata kwantów niósł energię odpowiadającą energii kinetycznej silnie uderzonej piłki tenisowej! Jeśli przyjąć, że naturalny zakres promieniowania elektromagnetycznego rozpoczyna się od energii odpowiadającej kosmicznemu mikrofalowemu promieniowaniu tła (około 8,62 ˇ 10^-5 eV), a kończy na energii zarejestrowanej przez Fly Eye, wówczas okaże się, że nasze oczy rejestrują zaledwie 1/10 000 000 000 000 000 000 000 000 zakresu energii promieniowania elektromagnetycznego występującego w przyrodzie! Na szczęście fotony o ekstremalnie wielkich energiach pojawiają się bardzo rzadko, nie są więc istotnym składnikiem naszej rzeczywistości. Dobra wiadomość jest więc taka, że z pewnością widzimy większy niż podany wyżej ułamek naszego świata. Zła - że dotychczas mówiliśmy tylko o tej jego części, która oddziałuje elektromagnetycznie.

Nie tylko elektromagnetyzm

Cząstkami, które nie oddziałują elektromagnetycznie, są na przykład neutrina. Poddają się one wyłącznie siłom grawitacyjnym oraz słabym jądrowym. Masa neutrin jest jednak niezwykle mała (masa najcięższego to nie więcej niż 5,3 ˇ 10^-37 kg, czyli mniej niż milionowa masy elektronu), a słabe oddziaływania jądrowe mają bardzo krótki zasięg (10^-18 m, tysiąc razy mniejszy od rozmiarów protonu). Neutrino, aby wejść w oddziaływanie z detektorem zbudowanym ze zwykłej materii, musi więc znaleźć się naprawdę blisko tworzących go cząstek i atomów, a to nie zdarza się często. Dość powiedzieć, że w każdej sekundzie każdego człowieka przeszywa strumień 10¹⁶ neutrin. Mimo to prawdopodobieństwo, że którykolwiek z żyjących dziś ludzi w ciągu swego życia wejdzie w interakcję z choćby jednym neutrinem, wynosi zaledwie... 1%.

Specyficzne cechy świata neutrin powodują, że jest on dla nas całkowicie niewidzialny. Nie on jeden. Współczesne pomiary astrofizyczne sugerują, że znane nam z codziennego życia materia i energia wnoszą jedynie 4% do całkowitej energii-materii Wszechświata. Obserwacje ruchu galaktyk wskazują, że tworzą się one wokół skupisk niewidocznej materii, zwanej ciemną materią. Zgodnie z najnowszymi oszacowaniami i symulacjami, jej udział w energii-materii Wszechświata wynosi 22%. Pozostałe 74% to tzw. ciemna energia o nieznanej naturze, odpowiedzialna za przyspieszanie ekspansji Wszechświata. Wiemy o niej jedynie, że nie tworzy żadnych zagęszczeń. Okazuje się zatem, że nasz codzienny świat to tylko drobny ułamek rzeczywistości, a ludzkie zdolności postrzegania wzrokowego są rozpaczliwie niedoskonałe. Jesteśmy w sytuacji nauczyciela, która wchodzi do klasy składającej się z 25 uczniów i widzi zaledwie jednego z nich. Na dodatek nie całego, lecz mniej niż jego... jedną komórkę. Na arenie Wszechświata nie niewidzialność, lecz widzialność jest zjawiskiem wyjątkowym.

Zniknąć z oczu

Co zatem powoduje, że niewidzialność optyczna (w zakresie obejmującym promieniowanie elektromagnetyczne postrzegane przez człowieka) tak przyciąga uwagę i pobudza wyobraźnię? Na pewno fakt, że w naszym otoczeniu po prostu nie ma materiałów, które byłyby niewidzialne w paśmie optycznym. Pewne znaczenie mają prawdopodobnie także pobudki psychologiczne. Niewidzialność dawałaby człowiekowi poczucie swobody, możliwość wyrwania się nie tylko z pewnego zakresu fal elektromagnetycznych, lecz również z norm etycznych i zależności społecznych. Gwarantowałaby anonimowość, zatem i bezkarność, a także zapewniałaby istotną przewagę nad innymi.

Zostawmy jednak psychologię i zajmijmy się fizyczną stroną niewidzialności optycznej. Obiekty z otoczenia możemy dostrzec nie tylko dlatego, że emitują fotony, ale także dlatego, że ich nie emitują - na jasnym tle dają wtedy wyraźnie widoczny cień. Zatem aby obiekt stał się rzeczywiście niewidoczny, nie wystarczy, aby niczego nie emitował. Wysyłana w jego kierunku fala elektromagnetyczna powinna go łagodnie opłynąć, a po opłynięciu - powrócić do pierwotnego kształtu. Z punktu widzenia dostatecznie odległego obserwatora fale świetlne wyglądałyby wówczas tak, jakby biegły przez pustą przestrzeń. Obiekt zniknąłby z naszych oczu i widzielibyśmy wszystko, co wcześniej sobą przesłaniał. Jak zbudować osłonę, która działałaby w ten sposób? Czy jest to w ogóle możliwe?

Każdy z nas widział zdjęcia z kostką nadprzewodnika wysokotemperaturowego lewitującego nad magnesem. Ciekawą cechą nadprzewodników jest fakt, że gdy po schłodzeniu do odpowiednio niskiej temperatury zaczynają nadprzewodzić, pojawiają się w nich prądy powierzchniowe, uniemożliwiające polu magnetycznemu wnikanie do wnętrza nadprzewodnika. W rezultacie linie sił omywają nadprzewodzący przedmiot, który staje się "niewidzialny" dla pola magnetycznego. Tylko czy podobną sztuczkę da się wykonać z polem elektromagnetycznym?