映画やテレビ作品における「不可視性」は本当に実現できるのか？科学者は言う：はい！

透明人間は、さまざまな映画やテレビ番組で頻繁に登場する SF のアイデアです。『カラバッシュ兄弟』の6人の子供たちであれ、『ファンタスティック・フォー』の透明人間であれ、『ハリー・ポッター』シリーズの小説に出てくる透明マントであれ。

古典的なプロットは、多くの場合、次のようなものです。ドクター・ストレンジまたはマッドサイエンティストが研究室で突然特別な薬を開発します。飲むと体が「溶けて」空気のように透明になるのですが、服は透明にはならず、帽子やコートが宙に浮いている不思議な光景が広がります。

そして、人々に考えさせる透明化技術

それは技術的に本当に可能なのでしょうか?

光の屈折と画像の歪み

まずは光の屈折から始めましょう。私たちが目で物体を見ることができるのは、物体自体が光を発したり、太陽光や LED ライトなどの光源からの光を反射したりできるからです。いずれにしても、物体から発せられた光は最終的に人間の目に伝わり、知覚されます。同じ均一な媒体では、光はほぼ直線的に伝播し、観察者は地平線に沿って一定の距離にある物体を見ることになります。

しかし、光が水と空気のような 2 つの異なる媒体を通過する場合、事態はそれほど単純ではありません。空気中と水中で伝わる光の速度は異なります。空気中では秒速30万キロメートル近くと速く、水中では比較的遅くなります。一方が高速列車でもう一方がグリーン列車のようなものです。

図 1 では、水中の魚から発せられる光は、水中から水と空気の境界面を通って人間の目まで直線 (ABC) で伝わったと考えられます。しかし、光の世界は「非常に内向き」でもある。常に最も時間を節約できる経路を通って開始点から終了点に到達したいため、別のルート (ADC) を選択します。水中の「グリーントレイン」の旅程は短くなり（AD<AB）、空中の「高速鉄道」の旅程は長くなります（DC>BC）。しかし、結局のところ、「高速鉄道」の方がはるかに速く、所要時間もさらに短縮されます。このように光は「曲がる」のですが、これを光の屈折と呼びます。

水の屈折率は空気よりも大きいため、水は密度の高い媒体と呼ばれ、空気は密度の低い媒体と呼ばれます。しかし、見る人は本能的に光が直線的に進むと信じ、実際の位置 A よりも上方の A' に魚の像を見ます。そのため、漁師が銛を使って魚を捕るときには、見ている像の位置から下向きに銛を刺さなければなりません。

図1: 水と空気の間の光の屈折（左）と全反射（右）出典: Light Science / Veer

しかし、魚がたまたま水中の比較的隠れた位置にいる場合、魚からの光と水面の間の角度は十分に小さく、光は鏡に当たったように全反射し、空気中に屈折することはありません。これは、駅で緑色の電車を降りて、高速列車ではなく別の緑色の電車に乗るのと同じです。

光が水中に閉じ込められているように見えるため、特定の角度から見ると魚がまったく見えなくなります。しかし、箸であれば下半分は水中にあり、上半分は空気中にさらされています。上から見ると曲がって歪んでしまい、横から見るとずれた2つのピースになってしまいます。これはすべて光の屈折によって起こります。

図 2: 光の屈折による「2 つのずれた部分」の鉛筆画出典: Light Science / Veer

光の屈折を利用して光の方向を巧みに変えることで、コインが水のボトルを通過する次のマジックトリックなど、さまざまな驚くべき効果を実現できます。

ビデオ 1: コインを水の入ったボトルに通すマジックのトリック

魔法の秘密については、記事の最後にある別のビデオを参照してください。同様に、絵は水中では不可解にも消えてしまいます。

ビデオ2: 水中で消える写真

これは、紙カードの画像からの光が人間の目に届くまでに、小包装袋内の空気、小包装袋のプラスチック製の外殻、水、外気などの複数の媒体を通過する必要があるためです。この屈折プロセス中に、いずれかの界面で全反射が発生すると、画像は視聴者の視界から消えてしまいます。

ここには特別な水槽もあります。タンクの対角空間に注射器で水を注入したり、吸い出したりすることで、「顔を変える」ように2つの異なる絵を切り替えることができます。笑顔は泣き顔に、泣き顔は笑顔に、赤と青の顔のマスクも交互に変化します。

ビデオ3: 2つの画像を交互に表示できる水槽装置。

下の図に示すように、その背後にある「黒幕」も光の全反射です。

図 3: 対角空間が空気で満たされている場合、全反射により観察者は図 B を目にします。対角空間が水で満たされている場合、光は均一な媒体内で直線的に伝播するため、観察者は図 A を見ることになります。出典: 作者による描画

ルネサンス期の芸術家レオナルド・ダ・ヴィンチの絵画における光の屈折の問題も熱く議論された。

レオナルド・ダ・ヴィンチの「救世主」の次の絵画では、救世主イエスが透明な球を手に持っており、表面には「何も悪いところはない」ように見えます。しかし、注意深い観察者たちは、透明な球の後ろにある衣服のしわは光の屈折によってずれたり、ねじれたり、変形したりしているはずなのに、絵画の中ではそのままの状態で現れており、不可解だと不満を述べている。

図4: レオナルド・ダ・ヴィンチの有名な絵画「救世主」には不合理な光の屈折効果が含まれていると疑われている。出典: Wikipedia

この点に関して、光学専門家は、3Dモデリングやレイトレーシングなどの専門的な光学シミュレーションソフトウェアを使用して、さまざまな材質と厚さの中実球と中空球をシミュレートし、屈折後の画像結果を取得し、それを絵画の効果と比較するという真剣な研究を行ってきました。彼らはまた、「『救世主』の光学精度について」と題する論文も発表した。

最終的な結論としては、絵画と同様の効果を得るためには中空球を使用し、中空球の外壁材の屈折率は1.51714、厚さは1.3mmにする必要があるということになります。比較すると、空気の屈折率は 1.0003、水の屈折率は 1.3333、ガラスの屈折率は約 1.5 なので、絵の中のボールは中空のガラスボールであるはずです。

しかし、何百年も前に、こんなに薄いガラス玉を作ることは可能だったのでしょうか?たとえ製品化されたとしても、きっと簡単に壊れてしまうでしょう。どうやって手で持つんですか？

もちろん、このような厳格な合理的分析は無意味だと考える人もいます。巨匠レオナルド・ダ・ヴィンチは、日常の人物をリアルに描いたわけではありません。彼は聖なる救世主イエスを描いていました。衣服のひだの歪みは失礼な態度を示すことになります。さらに、レオナルド・ダ・ヴィンチは画家であっただけでなく、ジェネラリストでもありました。彼は光学を含む様々な科学の知識を持っていました。彼は光の屈折に気づかないはずはなく、実際のガラス玉の像の歪みを観察できないはずもない。彼はおそらく、軽率に低レベルの光学的ミスを犯したのではなく、故意にそうしたのでしょう。

いずれにせよ、この絵画自体は値段が付けられないほどの価値のあるものであり、2017年11月にニューヨークのクリスティーズで4億5000万ドルという驚異的な価格で落札された。

物体を隠す効果を生み出す光学装置

この記事の主題である「不可視性」に戻ると、人間の目に見える物体は、多くの場合、入射光が物体の表面に当たり、反射光が生成されて人間の目に入ることによって生じます。入射光が適切な方法で屈折して方向を変えると、物体が占める空間を単に迂回するだけです。見る人は、光が空きスペースを通過して直接人間の目に到達し、視覚的に不可視の効果を生み出しているように感じるでしょう。これは光学的には理論的に実現可能であることが証明されています。

図 5: 不可視性は、隠したい物体の周囲で光を曲げることによって実現されます。右側の視聴者にとっては、物体の周囲で光が曲がる場合 (左) と、空間を直接通過する場合 (右) の視覚効果に違いはありません。

「仕事をうまくやりたかったら、まず道具を研がなければなりません。」実験でこの効果を本当に実現するには、さまざまな光学装置に頼る必要があります。

拡大鏡、近視用メガネ、望遠鏡、顕微鏡のレンズはすべてレンズと呼ばれます。表面的には小さな丸いレンズのように見えますが、非常に強力です。空気とガラスの屈折率の違いによって生じる光の屈折現象を利用して、光の収束や発散を制御したり、画像を拡大・縮小したり、近づけたり遠ざけたりすることができます。

4 つの異なるレンズで構成された次の光学系では、配置の合理的な設計により、4 番目のレンズの前にいる視聴者には視覚的な死角ができ、最初のレンズの後ろにある背景の物体は見えますが、死角にある物体は見えません。レンズ間の視覚的盲点に数本の指を挿入すると、視聴者には指は見えず、背景のグリッドだけが表示されます。

図6: 視覚的な死角（オレンジ色の領域）を持つ4つのレンズで構成されたステルスシステム[5]

図7：4レンズステルスシステムの視覚効果[5]

これはレンズの視野内での不可視性の一種に過ぎないと言うべきでしょう。レンズの外側から見ると、まぶたの下にあるものがすべて露出しますが、レンズを大きくすることもできます。それだけでなく、視聴者はレンズを直接見る必要があります。横から見ると簡単にバレてしまいます。

レンズは丸いだけでなく円筒形のものもあります。あらゆる方向からの光を屈折させることができる円形レンズとは異なり、円筒レンズは物体を平行な線で構成されているとみなし、その線全体を特定の方向に屈折させることができます。多数の小さな円筒レンズをアレイ状に配置すれば、円筒形のマイクロレンズ格子になります。

円筒形マイクロレンズ格子は、光の方向を制御する「マスター」でもあります。例えば、「二重像」を見たことがある人は多いでしょう。特別なカードは、ある方向から見ると最初の写真のように見えますが、別の方向から見るとまったく異なる写真のように見えます。これは、カードの表面が円筒形のマイクロレンズ格子の層で覆われているためです。もともと、カードには 2 枚の絵が入った複合体が印刷されていました。分解された赤い縦縞と緑の縦縞は、格子によって2つの異なる方向に投影され、それぞれ別の写真に合成されます。この2つの方向がたまたま人の左目と右目に一致すれば、それぞれ左目と右目の視点に対応した映像が投影され、メガネをかけずに裸眼立体表示を実現できる。

図 8: 光を左右の目に 2 つの異なる方向に屈折させることができる円筒形のマイクロレンズ格子。画像出典: Wikipedia

円筒形マイクロレンズ格子は、二重像と裸眼立体表示に加え、目に見えないという特徴も備えており、これは「太っている人」と「痩せている人」に対する「差別」から生じています。格子の後ろの平行方向にある物体が「細い棒」である場合、光は観察者の視野から簡単に屈折して隠れてしまいます。しかし、「太くてたっぷり」だと、やはり大量の光が見る人の視界に入り、消えたようには見えません。

図9: 異なる幅の物体に対する円筒形マイクロレンズ格子の光屈折効果出典: 著者による描画

下の細い箸は一部が消えてしまっているのが不思議ですが、裏側の横縞はそのまま残っています（縦に見ると実は幅が広いため）。もちろん、格子の配置方向は間違ってはならず、箸は各柱状マイクロレンズの方向とほぼ平行でなければなりません。

ビデオ4: 円筒形マイクロレンズ格子の下で消える箸

ネット上で拡散した動画の中で、光学専門家の朱俊豪院士はパーティーで、自分の足が魔法の素材で覆われて「消えた」が、背後の舞台背景の水平線はまだはっきりと見えたことを実演した。このような円筒形のマイクロレンズ格子も使用されました。このステルス方式の欠陥も明らかです。隠す対象物の形状には「背が高い、低い、太っている、細い」、立っているか横になっているかなど、厳しい条件があります。「基準を満たしていない」限り、「摘発される」ことになります。円筒形マイクロレンズ格子は、特定のステルスシナリオでのみ使用されることになっています。

学者のチュー・ジュンハオ氏が透明人間の芸術を披露する。画像出典: Bilibili

次の光学ステルス装置はさらに大規模で、大きなプールの中に、六角柱の形をした特殊な水槽が設置されています。タンクの中央にある「洞窟」だけに水が満たされています。他の多くの部分は中空で、空気だけが入っています。断面が六角形の星型をした部分（下の写真の濃い青色の部分）は固体でガラスでできています。

このようにして、一方の側の入射光は、水、空気、ガラスの 3 つの媒体間で屈折する必要があります。水槽の特殊な幾何学的形状により、中央の円筒形の水空洞を迂回することになり、反対側の視聴者にはこの部分が消えたように感じられます。水中の魚が水槽の穴に泳ぎ込むと、跡形もなく消え、鑑賞者に見えるのは透明なプールの水と水槽の後ろの緑の水草だけになります。

図10：水たまりに魚を隠すことができる六角形の光学装置[7]

同様の「六角形の城」は水中に建設する必要はなく、テーブルの上に置いて鑑賞することもできます。もともとガラスプリズムに囲まれていた金属製の重りがなくなってしまったことがわかりますが、その背後にある車の模型はまだはっきりと見えます。

図11：六角柱光学遮蔽装置[4]

負の屈折率を持つ材料と真の不可視性の実現

前述の光学ステルス装置は、ある程度の物体消失効果をもたらすことができますが、それでも誰もが期待する本物の透明マントとはかなり異なります。近年登場した負の屈折率を持つ材料の概念は、不可視性に対する新たな希望を生み出しました。

自然素材の屈折率は一般的に 1 より大きいです。水の屈折率が負であると仮定すると、水中の魚が水面上の空中に浮かんでいる画像が見えます。ミラージュ効果と比較して、より重要なのは、この材料が理想的な選択であるということです。隠したい物を衣服のように包み込むことができ、前述の光を曲げて見えない物を迂回するというアイデアを実現しています。この物質は自然界には存在しないため、研究者たちはナノテクノロジーを利用して人工的に合成することに注目してきました。

世界的に有名な大英博物館には、1,600年前に古代ローマ人が作った「ルチッゲスカップ」と呼ばれる魔法のガラスゴブレットの芸術作品が展示されています。この作品の特徴は、正面から光が当たるとカップが緑色に見え、後ろから光が当たるとカップが赤色に見えることです。研究者たちは、この「カメレオン」効果は、直径がわずか約50ナノメートルの金と銀の金属粒子がガラスに溶解することによるものだと発見した。当時の古代人はナノマテリアルが何であるかを理解していませんでしたが、実践的な試みを繰り返すうちに、意図せずこの技術に関わるようになりました。同様に、ナノ粒子を添加したガラスは、世界中の歴史的な大聖堂の窓に描かれた鮮やかな色の模様を描くために使用されています。

21 世紀の今日、研究者は、テトリスやブロックを組み立てるのと同じように、さまざまな種類のナノ粒子をより自由かつ柔軟に操作し、それらをさまざまな位置に配置したり、さまざまな構造に配置したりして、さまざまな素晴らしい材料特性を生み出すことができます。負の屈折率を持つ新しい物質を人工的に合成することも可能になりました。

2015年にサイエンス誌に発表された論文では、研究者らは銀やマグネシウムなどの金属のフッ化物を使ってメッシュ素材を形成し、その中に多孔質アルミナから生成されたナノ銀線を散りばめた。得られた負の屈折率材料シートは、予想通り、マントのように包まれた物体を隠すことができ、負の屈折率材料の透明マントの夢に一歩近づきました。

図12: 負の屈折率を持つナノマテリアルの透明マントの効果: 透明マントあり(左)と透明マントなし(右)

論文に示された結果から判断すると、この透明マントは無駄ではない。しかし、現在の結果はまだ顕微鏡で観察されています。透明マントの大きさは髪の毛よりも薄いミクロンレベルであり、厳しい実験条件を必要とします。短期的には日常生活では使用できません。

では、光学的に不可視性を実現する方法はあるのでしょうか?

一方では、光トラップ装置を作成し、物体を視覚の死角に配置し、「煙と鏡」によってその物体を視界から消すことは難しくありません。さらに、「すべての道はローマに通ず」であり、実験室にあるさまざまな一般的な装置をツールとして使用できます。

一方、SFで想像されるような本当の透明マントは、理論的には実現可能であっても、実際に加工して製造するのは容易ではありません。負の屈折率を持つ材料は研究者に新たな希望をもたらしましたが、当面は実用化は難しいでしょう。