Kombination zweier optischer Elemente ermöglicht Unsichtbarkeit

  • 11. August 2011

Theoretische Überlegungen zeigen: Eine Tarnkappe für einen breiten Frequenzbereich ist ohne Überlichtgeschwindigkeiten möglich.

Die Kombination aus einer unsichtbaren Sphäre und einer Maxwell-Fischlinse ermöglicht eine Tarnkappe, die vollständige Unsichtbarkeit verleiht, ohne dass eine überschnelle Ausbreitung von Licht oder abnorme Materialeigenschaften nötig sind. Das konnten Physiker an der University of St. Andrews in Schottland zeigen.

Ein Lichtstrahl tritt in die Tarnkappe, vollführt in der unsichtbaren Sphäre eine Schleife, wird zweimal von der Maxwell-Fischlinse reflektiert und verlässt die Tarnkappe in seiner ursprünglichen Richtung.

Abb.: Ein Lichtstrahl tritt in die Tarnkappe, vollführt in der unsichtbaren Sphäre eine Schleife, wird zweimal von der Maxwell-Fischlinse reflektiert und verlässt die Tarnkappe in seiner ursprünglichen Richtung. (Bild: J. Perczel/New Journal of Physics)

Bei den meisten bislang vorgestellten Tarnkappenkonzepten wurde Licht um das zu tarnende Objekt geleitet. Ähnlich wie ein Stein in der Strömung eines Flusses, den Wasserlauf nur lokal ändert und der Stein so für einen Beobachter flussabwärts unsichtbar bleibt, soll Licht dabei Objekte „umspülen“ um sich dahinter wieder auszubreiten als sei gar kein Hindernis da gewesen. Dieses Konzept hat allerdings die Schwäche, dass sich Licht, im Gegensatz zu Wasser, im Allgemeinen mit einer konstanten Geschwindigkeit ausbreitet – der Lichtgeschwindigkeit. Der zusätzliche Weg, den das Licht bei der Umleitung um ein „unsichtbares“ Objekt zurücklegen würde, müsste in einem unendlich kurzen Zeitraum absolviert werden. Das Licht müsste sich deshalb mit unendlicher Geschwindigkeit ausbreiten, was Einsteins Relativitätstheorie widerspricht. Zwar kann ein solches Verhalten auch in Übereinstimmung mit der Relativitätstheorie erreicht werden. Dazu sind aber Metamaterialien nötig, die diesen Effekt nur für je eine feste Frequenz des Lichts erlauben.

Um diesem Problem zu entgehen, schlagen die Physiker aus Schottland die Kombination zweier optischer Elemente vor: Die „unsichtbare Sphäre“ ist eine optische Linse, die im Rahmen der geometrischen Optik für einen Betrachter von außen nicht zu sehen ist. Jeder Lichtstrahl, der auf sie fällt, vollführt in der Sphäre eine Schleife und verlässt anschließend die Linse in der Richtung, die er auch ohne Linse verfolgt hätte. Die unsichtbare Sphäre kann somit von außen nicht detektiert werden. Das zweite Element ist eine Fischaugenlinse nach Maxwell. In dieser Linse werden Lichtstrahlen so reflektiert, dass sie geschlossene Kreise bilden. In ihrem Konzept platzieren die Physiker eine Maxwell-Fischlinse in einer unsichtbaren Sphäre. Sie konnten theoretisch zeigen, dass dadurch ein Bereich entsteht, der für Lichtstrahlen endlicher Geschwindigkeit nicht zugänglich ist. Ein Objekt, dass sich innerhalb dieses Bereichs befindet, wird somit nicht von äußerem Licht erreicht – es ist unsichtbar.

Philipp Hummel

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