Vakuum jako metamateriál, aneb duha černých děr

sobota 17. říjen 2009 03:59

V příspěvku o kvantové mechanice jsem vysvětloval, jak určité vlastnosti (vratné zhoustnutí při protřepání) mýdlové pěny pomohou vysvětlit chování kvantové pěny, tvořící vakuum, například tvorbu vlnových balíků a vlnově-částicové chování fotonů. Dnes se seznámíme s tím, jak lze modelem pěny nebo houby se záporným indexem lomu napodobovat relativistické jevy, jako šíření světla v okolí černých děr.

Když se světlo šíří prostředím, vyplněným množstvím drobných překážek, dochází k tzv. disperzi, což se projevuje tím, že vlny s vlnovou délkou menší než překážky jsou těmito objekty rozptylovány a šíří se prostředím o něco pomaleji. Disperze se projevuje i v drobných kapkách vody a je příčinou barev duhy. Všimněme si, že modrá barva přitom tvoří vnitřek duhy, světlo s kratší vlnovou délkou je tedy prostředím rozptylováno více.

Normální disperze, kratší vlny se lámají více Alexandrův pás duhy mezi oblastí normální a anomální disperze

Méně často se vyskytuje situace, kdy je prostředí hustší než překážky, které se chovají jako drobné bublinky nebo dutinky jako v ementálu. V tom případě se vlny s delší vlnovou délkou naopak rozptylují více. I tato situace se v duze vyskytuje při zvlášť silném dešti, kdy se volný prostor mezi vodními kapkami zmenší natolik, že tvoří jakési dutiny a vedle normální duhy se objevuje nový slabší oblouk, ve kterém je pořadí barev právě opačné. Protože je tento případ v přírodě vzácnější, označuje se jako tzv. anomální disperze.

Anomální disperze, kratší vlny se lámají méněMetamateriál jako pěna s dutinami i překážkami

K zajímavé situaci dochází mezi oblouky duhy, kdy se kapky deště chovají jako houba znázorněná na obrázku vpravo, která tvořená jak dutinami, tak překážkami. V takovém prostředí rychlost světla s rostoucí vlnovou délkou nejprve klesá, aby se pak skokem zvýšila a začala zase klesat. Mezi oblouky duhy se tvoří tmavý pás, kde clona deště pohlcuje světlo více, než okolí duhy (říká se mu také Alexandrův pás podle řeckého filozofa Alexandra z Afrodiasy, který jej poprvé popsal). Znázorníme-li si závislost rychlosti světla a propustnosti na vlnové délce, získáme dvě křivky, které spolu vzájemně souvisejí podle tzv. Kronig-Kramersovy rovnice. Můžeme si přitom všimnout, že křivka rychlosti světla sleduje sleduje sklon křivky propustnosti, je tzv. její derivací (derivace je pojem vyšší matematiky, označující sklon křivky).

Závislost rychlosti a propustnosti disperze na vlnové délce Šíření vln tenkou vrstvou metamateriálu

V úzkém rozsahu vlnových délek, kde křivka rychlosti světla získává záporný sklon se prostředí chová jako materiál s tzv. záporným indexem lomu, nebo-li tzv. metamateriál. Metamateriály mají řadu neobvyklých vlastností, pro které by se mohly stát velmi zajímavou oblastí optiky. Např. na animaci vpravo je vidět, jak tenká vrstva metamateriálu láme vlny do ohniska jako optická čočka. Brýle tvořené takovým metamateriálem by mohly být tenké jako papír. Obalení předmětu metamateriálem by způsobilo, že by ho světlo doslova obtékalo a předmět by se stal neviditelným, jako kdyby ho zahalil kouzelný čarodějův plášť. Naneštěstí vyrobit metamateriál, který by fungoval pro světlo různých vlnových délek (tedy nejen tu, pro kterou je přesně vyladěn) je velice obtížné.
Laboratorní model černé díry tvořené umělým metamateriálemŠíření světla různé vlnové délky metamateriálovým modelem černé díry 

Nejsnáze se metamateriál vytvoří pro vlnění o vlnové délce v rozsahu několika centimetrů. Takové vlny tvoří například mikrovlny, kterými si ohříváme jídlo v mikrovlnné troubě. Umělý metamateriál lze vytvořit tak, že se do tenké vrstvy měděné fólie nalepené na podložce vyleptají drobné obrazce, které připomínají dutiny pěny nebo houby. Někdy se také pro tento účel používá síťka nebo skutečná kovová houba. Pokud se z několika vrstev takového materiálu zhotoví prstenec, mikrovlny se jím budou lámat podobně jako světlo v okolí duhy, nebo při průchodu gravitační čočkou, která vzniká v okolí černé díry.

Šíření světla různé vlnové délky metamateriálovým modelem černé díry

Výsledky experimentů s mikrovlnami (PDF) jsou znázorněny na obrázcích výše. Je z nich vidět, že pokud mikrovlny do metamateriálu dopadají pod malým úhlem, stačí se ještě rozptýlit do okolí. Pokud se ale vlna dostane příliš blízko středu prstence, je jím zachycena a obíhá jej dokolečka, podobně jako světlo, když se dostane pod určitou vzdálenost od černé díry do oblasti tzv. fotonové sféry. Pokud se dostane ještě blíže, metamateriál vlny nenávratně pohltí, střed prstence se tedy vůči mikrovlnám chová jako tzv. horizont událostí černé díry vůči viditelnému světlu. Tato podoba není náhodná, protože drobné fluktuace hustoty vakua se chovají pro světlo podobně, jako kapky deště při průchodu světla atmosférou a pokus dokazuje, že kvantová pěna tvořící časoprostor v okolí černé díry se chová jako pěna nebo houba, tvořená skutečným metamateriálem, který lze připravit a otestovat v laboratoři.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

cARsDKiJsJCofDRWhCDFIzBJHWMi16:419.7.2011 16:41:19
nqLPrBYacNczKCKEgvxNZIkXgXGYiE12:268.7.2011 12:26:49
nqLPrBYacNczKCKEgvxNZIkXgXGYiE12:268.7.2011 12:26:11
DariusAlternativní teorie08:5017.10.2009 8:50:22

Počet příspěvků: 7, poslední 9.7.2011 16:41:19 Zobrazuji posledních 7 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik