Unsichtbarkeit

Unsichtbarkeit ist jener Zustand, in dem ein Gegenstand, eine Substanz oder eine Strahlung für das menschliche oder tierische Auge nicht wahrnehmbar ist. Bei der Unsichtbarkeit im engeren Sinne handelt es sich um physikalische Umgebungsbedingungen, unter denen ein normalerweise sichtbarer Gegenstand für Menschen nicht mehr erkennbar ist.

Bedeutung Unsichtbarkeit ist von relativ großer Bedeutung in vielen Bereichen. Für Räuber und Beute, also bei Lebewesen sowohl im Tier- wie auch im Pflanzenreich, ist es ein wichtiger Faktor, um selbst im Sinne der Arterhaltung erfolgreich zu sein.

Für den Menschen ist das Thema wichtig im Bereich der Spionage, des Militärs, der Astronomie, der Verhaltenswissenschaften, der Philosophie und in den Künsten. Von diesen Interessengebieten angestiftet, befassen sich die Physik, die Chemie und andere Disziplinen damit. Allgemein bringt das Verständnis von Szenarien, in denen ein Umgebungszustand momentan nicht wahrnehmbar ist, auch ein Verständnis darüber, wo die Grenzen dieser Wahrnehmungslücke zu finden sind und wie diese Grenzen umgangen werden können. Es herrscht weiterhin einerseits das Interesse, einen solchen Zustand der relativen Unsichtbarkeit gezielt herbeizuführen und andererseits auch, gezielt entsprechend unsichtbare Dinge enttarnen zu können.

Einfache Beispiele Für den Menschen und seine Wahrnehmung gilt: Licht ist unsichtbar, wenn es nicht in das Auge eines Betrachters fällt. Elektromagnetische Wellen mit anderen Wellenlängen als das Licht sind unsichtbar, auch wenn sie in das Auge des Menschen fallen. Farblose Gase, wie beispielsweise die Luft, sind aufgrund ihrer geringen Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen des Lichts unsichtbar. Schnell bewegte Gegenstände, wie z. B. Pistolenkugeln, sind aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit unsichtbar. Kleine Objekte, wie z. B. Mikroorganismen, sind aufgrund ihrer geringen Größe unsichtbar. Weit entfernte Objekte, wie z. B. Galaxien, sind aufgrund ihrer großen Entfernung, und auch aufgrund ihrer geringen scheinbaren Helligkeit unsichtbar.

Die Beispiele 5 und 6 für die Unsichtbarkeit beruhen vorwiegend auf dem Auflösungsvermögen des menschlichen Auges von rund einem Millimeter Größe bei 3,5 m Abstand (Winkel von einer Bogenminute).

Durchsichtige Objekte, die in Flüssigkeiten mit ähnlichem Brechungsindex eingebettet sind, werden unsichtbar. Bei der Anwendung in der Immersionsmikroskopie werden zu diesem Zweck die Glasflächen mit Öl bedeckt, um die Grenzflächenreflexion zu vermindern. In der Natur befinden sich viele durchsichtige Lebewesen im Wasser, wo sie weitgehend unsichtbar sind. Nimmt man diese Lebewesen aus dem Wasser heraus, dann sind sie deutlich erkennbar, weil der Brechungsindex der Luft sich deutlich von dem des Wassers unterscheidet.

Eine weitere Ursache für Unsichtbarkeit ist eine zu geringe Helligkeit, wie unter anderem in der Nacht (siehe auch Beispiel 6). Auch in einer Umgebung, die mit einem lichtstreuenden Nebel oder Rauch ausgefüllt ist, sind Gegenstände unsichtbar wenn sie sich außerhalb des dann reduzierten Sichtfelds befinden.

Verdeckung Wenn sich dieser Gegenstand hinter einem anderen Gegenstand befindet, dann ist er zwar für den Betrachter unsichtbar, aber man sieht dann den anderen Gegenstand davor. Einem intelligenten Betrachter, der im Szenario anwesend ist, wird es also möglicherweise ein Anliegen sein, auch die ihm momentan verdeckten Bereiche früher oder später zu inspizieren, sofern der abdeckende Gegenstand für ihn irgendwie erkennbaren Anlass dazu gibt. Es besteht dabei die Möglichkeit, dass hier nur aus einer Richtung, aus mehreren oder gar aus allen heraus verdeckt wird. Die Unsichtbarkeit wird dabei nicht durch eine Eigenschaft des Gegenstands herbeigeführt, sondern vielmehr durch die Eigenschaften des abdeckenden Gegenstands. Beispielsweise verdeckt eine Konservendose ihren Inhalt nach allen Richtungen hin. Lackiert man diese Dose nun schwarz und stellt sie vor einen ebenso schwarzen Hintergrund, wird die Dose samt Inhalt unsichtbar. Es wurde lediglich die Dose manipuliert, während der Inhalt nicht angetastet wurde.

Indirekte Wahrnehmung Um einen Gegenstand unsichtbar zu machen, genügt es oftmals nicht, zu verhindern, dass Licht von diesem Gegenstand zum Beobachter gelangt. Selbst wenn dieser Gegenstand völlig schwarz ist und damit kein Licht von ihm zum Beobachter gelangt, verdeckt er dennoch einen Teil des Hintergrundes. Sofern dieser nicht ebenso völlig schwarz ist, wird der Gegenstand durch seine Kontur wahrnehmbar.

Falls ein Gegenstand genau die gleiche Farbe und Helligkeit wie seine Umgebung und sein Hintergrund hat, ist er dennoch unsichtbar.

Typische reale Hintergründe sind strukturiert und ändern ihre Eigenschaften mit der Zeit, etwa durch den Blickwinkel eines sich bewegenden Betrachters oder je nach Tageszeit und Lichteinfall. Ein militärischer Tarnanzug oder auch ein Tarnanstrich versucht, ein bestimmtes Szenario, z. B. Wald, Wüste oder Steinlandschaften, in seinem Aussehen nachzubilden. Dabei wird ein mehr oder minder flüchtiger Betrachter mit erhöhter Wahrscheinlichkeit die Kontur des jeweiligen Trägers nicht mehr vom Umgebungseindruck trennen können. Diese Wahrscheinlichkeit nimmt ab, wenn sich Objekt und Hintergrund zueinander bewegen und der Beobachter in der Lage ist, eigenständige Bewegungsfelder aus dem Szenario zu identifizieren.

Einige Vertreter der Weichtiere beherrschen die Methoden der Tarnung besser als der Mensch. Kraken können das Aussehen des Hintergrundes besser als jeder menschliche Tarnanzug simulieren. Der Gallertkalmar ist nahezu durchsichtig. Der Waffenkalmar hat an der Unterseite Leuchtorgane, die seine dunkle Silhouette vor der Wasseroberfläche überstrahlen können.

Technisch-Physikalische Konzepte für Unsichtbarkeit Unsichtbarkeit mit photonischen Kristallen

miniatur|Brechung-Reflexion-Brechung Eine theoretisch vorstellbare Möglichkeit einer Rundum-Unsichtbarkeit könnte auf der Basis von Brechung-Reflexion-Brechung beruhen. Eine Hohlkugel aus photonischen Kristallen (Metamaterialien) und Materialien mit negativem Brechungsindex (linkshändige Materialien) mit dem für diese üblichen exotischen Brechungs- und Reflexionsverhalten könnte das aus allen Raumrichtungen kommende Licht geordnet umleiten. Die Hohlkugel aus photonischen Kristallen sollte aus allen Raumrichtungen dieselben optischen Eigenschaften haben, und die Lichtstrahlen könnten einander ungehindert überkreuzen, weil die Photonen zu den Bosonen gehören. An Stelle der Hohlkugel könnte man für die ersten Versuche einen Hohlzylinder mit senkrecht stehender Achse verwenden, der dann aus allen waagrechten Blickrichtungen unsichtbar wäre.

miniatur|Kontinuierlich variierender Brechungsindex Im Oktober 2006 gelang es Wissenschaftlern erstmals, eine Tarnkappe herzustellen. Dabei wurden Mikrowellen um einen Ring herumgelenkt, der aus mehreren Lagen Kupferdraht und Glasfaserfolien bestand, sodass dieser die Strahlung nicht reflektierte und im entsprechenden elektromagnetischen Bereich teilweise unsichtbar erschien. Licht konnte jedoch noch nicht abgelenkt werden. Das Verfahren funktioniert bisher nur auf einer Ebene und nicht mit dreidimensionalen Objekten.Abgelenkte Strahlung spiegel.de, 19. Oktober 2006, abgerufen am 12. November 2010

2010 gelang es Forschern einen flexiblen Polymerfilm zu erzeugen, eine Art Metamaterial, das auch sichtbare Wellenlängen um 620 nm ablenkt.Der Tarnkappe ein Stück näher gekommen welt.de, 5. November 2010; Forscher entwickeln Tarnkappentechnik im sichtbaren Licht handelsblatt.com, 5. November 2010, abgerufen am 12. November 2010Andrea Di Falco et al.: Flexible metamaterials at visible wavelengths. New Journal of Physics; 12 (2010), 113006, .

Unsichtbarkeit mit Spiegeln

Viel einfacher als die Rundum-Unsichtbarkeit lässt sich die Unsichtbarkeit für nur eine Blickrichtung zumindest für einen menschlichen Betrachter glaubhaft realisieren. Dabei werden die Lichtstrahlen eines bestimmten Blickfelds um das Objekt herum geleitet. Da sich jedoch die Entfernung durch die Umleitung leicht ändert, ist eine perfekte Identität nicht erreichbar. Ebenso werden auch immer gewisse Reste der Spiegelkanten erkennbar bleiben. Der Beobachtungspunkt ist in gewissen Grenzen flexibel.

Planspiegel-Anordnung Bei dieser Anwendung ist es günstig, wenn die Spiegel, ähnlich wie jene von Overhead-Projektoren auf der Vorderseite verspiegelt sind. Dadurch vermeidet man störende Mehrfach-Reflexionen an der Glasoberfläche. Für eine seitenrichtige Darstellung des Bildes ist immer eine gerade Anzahl von Spiegeln erforderlich (diese Regel gilt nur für Planspiegel).

Das Problem bei der Unsichtbarkeit mit Spiegeln ist, dass man die Spiegel so anordnen muss, dass sie selbst kaum zu sehen sind. Bei der Verwendung von vier Planspiegeln nach der Art eines doppelten Periskops ist immer noch ein Planspiegel von der Rückseite her zu sehen. Bei der Verwendung von drei Planspiegeln steht das Bild des Hintergrundes auf dem Kopf.Alexander Strahl: Das Spiegelkabinett der Unsichtbarkeit. Unterricht Physik: Physik in fiktionalen Medien. Heft 120 Dez. 2010. p.43-44 2010, abgerufen am 6. August 2013

Mit vier Planspiegeln kann man das Bild des Hintergrundes um den unsichtbar zu machenden Gegenstand im Zickzack herum leiten, wobei zwei unsichtbare Zonen entstehen. Der Flächenbedarf eines 4-Spiegel-Systems ist dann am geringsten, wenn die beiden schrägen Spiegel (in den Zeichnungen links und rechts zu sehen) um 30 Winkelgrade gegen die Lichtstrahlen geneigt sind. Die beiden Hilfsspiegel (in den Zeichnungen oben und unten zu sehen) müssen immer parallel zu den Lichtstrahlen ausgerichtet sein und sollten auch möglichst dünn sein. Weitere Informationen findet man in der Bildbeschreibung der Optimierung des 4-Spiegel-Systems.

Parabolspiegel-Anordnung Mit zwei parabolischen Zylinderspiegeln und einem schmalen Planspiegel kann das Bild des Hintergrundes um einen Gegenstand herum geleitet werden, so dass er zumindest aus einer Richtung zu verschwinden scheint. Große parabolische Zylinderspiegel sind allerdings relativ teuer, und das Gesamtsystem ist stark blickwinkelabhängig. Der in der Brennlinie der beiden parabolischen Zylinderspiegel liegende Planspiegel, und auch seine beiden Stützen, sollten möglichst dünn sein.

Unsichtbarkeit mit Linsen Da für das Unsichtbar-Machen große Linsen benötigt werden, kann man um Gewicht zu sparen Fresnellinsen verwenden. Eine Zylinderlinse besteht aus Teilflächen eines Zylindermantels und bündelt das Licht auf eine Brennlinie. In dieser Brennlinie befindet sich ein schmaler Planspiegel, der das Licht zu einer zweiten Fresnel-Zylinderlinse reflektiert. Um zwei getrennte unsichtbare Zonen zu vermeiden, werden zwei halbierte Fresnel-Zylinderlinsen verwendet.

Im Gegensatz zu anderen Methoden der Unsichtbarkeit ist diese Methode relativ platzsparend. Alle Bauteile stellen die Wandung eines Quaders dar, und die Hälfte des Innenraumes ist unsichtbar. Auch hier gilt, dass aus einem bestimmten Blickwinkel nur noch der Hintergrund des Objektes, aber nicht das Objekt selbst gesehen werden kann.

Zur technischen Realisierung: Das vom hinteren Bild kommende Licht geht durch die Brennlinie unterhalb des vorderen Bildes. Einen kleinen Teil des vorderen Bildes sieht man am oberen Bildrand. Das ist eine Folge der sphärischen (hier: zylindrischen) Aberration. Das könnte durch die Beschneidung der Linsen korrigiert werden.

Unsichtbarkeit durch Gravitation

miniatur|Schwerkrafteinfluss auf Licht Starke Gravitationsfelder, wie sie in der Nähe von Neutronensternen und schwarzen Löchern vorkommen, können das Licht so stark ablenken, dass der verursachende Himmelskörper unsichtbar wird. Auf der Erde kann man so starke Gravitationsfelder deshalb nicht erzeugen, weil man dazu riesige Massen auf extrem hohe Dichte komprimieren müsste.