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隐身衣技术取得突破性进展

发布时间:2019-10-09 20:57:28

  隐身衣技术取得突破性进展

  图:荷兰艺术家德塞伊帕尔曼的隐身摄影作品,以化装、改变造型等方法将模特隐入背景颜色中也许在阅读幻想小说《哈利·波特》时,很多读者都曾经梦想穿越国王十字架火车站的九又四分之三站台,进入蜂蜜色的城堡霍格沃茨学院,披上属于自己的隐身斗篷,与伏地魔殊死搏斗。但是幻想小说的很多读者,并不知道有一些科学家正在研制传说中的隐身衣,虽然隐身衣至今仍然没有面世,但相关技术已经取得了突飞猛进的进展。在这些科学家中也不乏中国科学家的身影。古老的隐身幻想遍寻古今中外,隐身的故事都伴随着创造者的奇思妙想,各种千奇百怪的隐身方法亦是异彩纷呈。古希腊就流传着珀尔修斯(Perseus)隐身手刃女妖美杜莎(Medusa)的神话。中国古代亦有孙悟空使个隐身法偷蟠桃宴的仙酒,太乙真人为那吒手绘隐身符瞒过东海龙王等神奇故事。梦想家们可以忽略幻想与现实间的巨大落差,让想像力展翅翱翔,好在有科学家们一直埋头苦干,试图填补这一沟壑,在现实世界里为人们的美梦找到坚实的基础。世界各地的探索者们一直都在孜孜不倦地研究各种可能的隐身方法。但许多看似异想天开的隐身故事里,似乎隐藏着缜密的科学原理。科幻作家威尔斯笔下的隐身药水,一直为科幻迷所津津乐道。这种奇药可使身体组织丧失颜色,变得透明,进而消失不见。虽然这个科学过程被小说家忽略了,但我们可以略微猜想,这其中一定发生了许多生化反应,人体内的蛋白质等大分子变得不再可见。而这一点在现代科学中仍然很难实现。蛋白质大分子对生物体的生存至为重要,而其颜色与可以吸收与散射光线的特性,与其本身的生化性质息息相关。如果人类尝试着改变自身分子的光学性能,无异于自掘坟墓。小说《魔戒》中,精灵女王送给哈比人的斗篷可以让他们和周围环境融为一体,实现“拟态隐身”。这种“经济有效”的方法在自然界里以保护色、拟态等形式广泛存在。田野中的变色龙,深海里的八爪鱼、比目鱼,都是个中高手,它们的身体可以跟随环境的变化而改变颜色甚至形态,使外界难以辨认。然而,这一种隐身方法有着与生俱来的弱点:隐身人不可有任何动作,不能与外界有任何触碰。即便“隐身人”真能一动不动,也只能骗过眼神不好的观众。如果只是沿着这个方向走下去,我们隐身的梦想还相当的遥远。隐身也有科学原理隐身衣何以隐身追本溯源,或许我们应该问,我们为何能看见物体南京大学物理系祝世宁院士从事隐身衣研究多年,他在回答的问题时解释说:“人之所以能看到物体,是因为光射到物体上后会被阻挡并反射到人的眼睛里。”人们可以通过反射或散射的光“看到”物体。那么隐身衣如何隐身,便是一个光学问题。我们希望隐身衣达到的效果是,当光经过需要隐身的物体时,就像该物体完全不存在一样。那么,物体对光的作用必须消失,减少反射,还原光线的传播方式,将物体背后的信息传递给观众。简单地说,就是光线碰到物体能拐个弯,然后回到原来的传播方向,那么在物体前方的人看到的就是物体背后的景象。自公元60年希腊数学家希罗(Hero of Alexandria)起,人类不停地探索光的传播原理。1662年,法国数学家费马(Pierre de Fermat)所提出的费马定理,告诉我们光线以最短距离—直线在空间内传播,这个妇孺皆知、广泛进入中小学物理课本的定理,似乎为让光线绕着物体“拐弯”的隐身衣判定了死刑。虽然其折射定律也告诉我们在介质中光线会弯曲,然而天然材料根本无法实现“隐身衣”对光线的弯曲要求。两百多年后的1916年,爱因斯坦提出的广义相对论又为隐身衣的理论带来了另外一丝曙光。爱因斯坦认为,如果空间可以被扭曲,则空间内两点间最短距离则不一定为直线,于是光线可以沿着这一扭曲的路径,绕过巨大的天体弯曲前进。电影《神奇四侠》里苏姗隐身的方法便接近如此。吴伯泽的一部科幻小说《隐身衣》更加清晰地说明了利用广义相对论实现隐身衣的构想:故事里主角发明了一种隐身衣,一通电就可以产生巨大的力场,实现广义相对论要求的情况,让光线绕行。然而这种隐身理论有很大的局限性,广义相对论中需要质量很大的物体,比如黑洞、太阳等庞大天体才能较大程度上弯曲光线,而且空间的扭曲不能人为控制。纵使科学巨人如爱因斯坦,也无法设计出能用以控制光线弯曲与否的奇妙开关。难以想象这种“力场”隐身衣会造成什么后果。那么制造大型隐身衣,甚至隐身黑洞呢在电影《星际迷航》里,罗慕伦人可以创造一个神秘的空间,将庞大的星际战舰隐于其中。但千万别忘了,为了隐身罗慕伦人可是付出了不能使用武器的代价的。创造这样一个黑洞需要的能量大得难以想象。遗憾的是,我们既没有无穷的能量,也不可能随身携带黑洞出门逛街。这种思路的隐身“衣”只停留在科幻小说、电影与人类的梦想中。人类也许无法扭曲空间,电磁场却是可以被扭曲的。如同将筷子插进水中便可见其扭曲,隐身只是类似海市蜃楼般的光学幻觉。如同树叶落入水流漩涡便不可见,隐身衣便是制造了个光线旋流,隐藏了其中的物体。随着材料科学发展的日新月异,近十年来迅猛发展的超材料(metamaterial)研究帮助科学家梦想成真,这些自然界闻所未闻的人工材料,终于为隐身衣轰轰烈烈的上台揭开了帷幕。如火如荼的隐身衣研究隐身衣爱好者也许会收藏2006年6月23日出版的《科学》(Science)杂志。来自苏格兰圣安得鲁大学的理论物理学家里奥哈茨(Ulf Leonhardt),与伦敦帝国学院的潘德利(ndry)教授,分别在这一期顶尖学术刊物上发表论文,阐述他们对隐身衣理论基础的计算原理。英国的这两位科学家,各自假设了电磁波如流水般在隐身材料表面流过,完全不受到隐于其中的物体的干扰,由此推导出隐身衣材料所需的光学参数。隐身衣的雏形已悄然出现。4个月后的《科学》杂志,美国杜克大学的史密斯教授小组再次发表论文,向世人宣告微波隐身材料的诞生。他们运用潘德利教授的理论,巧妙设计了符合计算结果的隐身材料。在他们的实验中,他们采用铜金属与玻璃纤维,创造了一卷甜甜圈似的圆环材料。探测器所得到的信号表示,微波经过圆环,恍若无物地会聚到圆环的另一侧,如若清泉石上流,汇聚于石岩另一侧一般,不留痕迹。然而,这样的设计只能针对某个波段的电磁波,效果也离罗慕伦人的隐身罩差了许多。2009年1月的《科学》杂志,史密斯教授小组的刘若鹏与其合作者再次发表文章,将隐身衣所适宜的波段大幅度增大,但依然局限于对微波段光路的改变。一切才刚刚萌芽。在世界上的其他地方,隐身衣的研究也如火如荼地进行。浙江大学国际电磁科学院陈红胜等计算完美隐身衣所需的各种参数,并陆续在《物理评论快报》上发表他们的阐释。东南大学的程强教授等与杜克大学进行合作,致力于提高隐身衣可使用的波段,并减低耗损。香港大学的科学家们则高瞻远瞩地开始研究“反隐身”技术。基于里奥哈茨教授的“共形映射”(Conformal mapping)理论基础,2009年4月的《自然·材料》(Nature Material)上,加州大学伯克利分校的张翔教授以及其团队发表了他们的最新发明,首次实现了隐身材料可以在接近可见光的近红外波段工作。张翔教授小组制作了一个反射型“隐身衣”。他们在硅材料上钻很多纳米级长度的小孔,所制得的“隐身衣”覆盖于物体上,可使其背后物体不对光波形成任何的散射。时隔半月,康奈尔大学的里布森(Michal Lipson)教授小组也发出了自己的论文,宣布他们采用如出一辙的办法,所制造的隐身材料的波段更加接近于可见光。隐身衣已经从幻想中走进我们的现实世界。科学家们为隐身衣的发展而激烈竞争,使得隐身衣的发展速度令人咋舌。从超材料兴起到隐身材料变为现实,不过短短10年时间。虽然已问世的隐身衣尚不能覆盖住一根手指,也依然无法实现对可见光的隐身。但其对于防辐射,屏蔽辐射等,会有许多应用意义。隐身衣的变种就在欧美的科学家们还在为理论计算与材料制造大伤脑筋时,日本科学家田智前教授(Susumi Tachi)与其研究小组另辟蹊径,利用视觉伪装(Optical camouflage)技术,制造了另一种奇妙的“隐身衣”。这种乍看非常神奇的隐身衣,似乎已经把哈利·波特的故事带到了现实。但如果你足够细心,便可发现其中破绽。事实上,这种隐身材料并不能遮挡光线,它仅仅是在衣服上涂抹了反射性材料,利用摄像机将人体身后的景象拍摄下来,连线电脑再投影到衣服上而已。看似以假乱真,实际谬以千里。这样一个极具恶搞精神的发明其实也不简单。在衣服上涂抹的回射材料(retro-reflective material)上,布满了许多细小的玻璃晶须,当光线照射到回射材料上,无数的细小晶须如同棱镜一般,将入射光以入射的方向重新折射回空气中。人肉眼所见,则是反射回的明亮光线,几近透明。这种回射材料并不神秘。它早已广泛使用于交通标志、道路标志与许多夜光设施中。当摄像机将摄制好的图像投影到回射材料上时,覆盖了回射材料的衣服便相当于投影布,将材料之后的影像完全展示出来。但这样的影像毕竟不同于周围环境的自然光。于是,科学家们又设计了一个特殊的镜子,使得投影的影像与环境影像紧密结合,观察者肉眼并不容易分辨。这个在技术不算复杂的发明虽离我们定义的“隐身衣”相距甚远,但它依然有其现实意义。比如它有助于飞行员降落飞机时看清驾驶舱地板,使医生进行外科手术时看清人体组织下的医疗仪器等。隐身衣的未来如果完美的隐身衣终于有一天变成了现实,如果隐身衣已经成为超市中随意选择的商品,这样的世界将会如何隐身衣也许很快就会成为为非作歹的工具。也许会成为未来战争的关键。也许会导致盗匪横生,内乱频仍,也许会使人心惶惶,也许人们之间不再有隐私,不再有信任,也许最基本的安全感都无法保证。毕竟隐身衣无论在科幻小说或现实运用中,无不用于人类互相倾轧,这样一个发明是否有反人类的嫌疑也许,隐身衣发明的利弊,本就是存乎一心。如同炸药、枪支等发明,其本身并没有是非,对错只在于使用它的人。如果人类的自控能力可以化解这些问题,隐身衣便可以成为人类的福祉。也许我们完全不必如此杞人忧天,当隐身衣飞速发展时,反隐身技术也会随之迅猛前进,也许不需要那么复杂,在地上洒一把面粉,就可以使隐身人现迹。也许,完美如科幻小说的隐身衣依然十分遥远。且让我们心存希望,期盼隐身衣研究的更多进展,也期盼所有的忧虑并不成真。

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