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by Fujia, 水龙吟

(三)隐身衣的进展

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(University of St Andrews)的理论物理学家里奥哈茨(Ulf Leonhardt),与伦敦帝国学院(Imperial College London)的潘德利(J.B.Pendry)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具备的光学参数。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。

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(源自NBC。水龙吟翻译制作字幕,yuaner校对)

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。

基于里奥哈茨教授的“共形映射”(Conformal mapping)理论基础,近年来隐身衣的研究依然如火如荼。2009年4月的<>(Nature Material)上,加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)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(如图)。时隔半月,康奈尔大学(Cornell University)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。

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(如图所示,a为没有任何障碍物时的反射图,b为放了障碍物,反射的图因此有些扭曲,c图为加上“隐身衣”,此时的反射图重现了a的情形,图片来自Gabrielli 09论文)

隐身衣已经从幻想中的霍格沃茨学院中走进我们的现实世界。如同争夺魁地奇一般,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,屏蔽手机辐射等,会有许多应用意义。

(四)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,联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,当光线照射进回射材料上,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。它早已广泛使用与交通标志、道路标识与许多夜光设施中。

当摄像机将摄制好的图象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。比如它可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。

(五)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?

我们都期盼着隐身,如同在MSN或QQ上换了个状态,就能不受任何打扰。我们希望有个清净的世界,如同杨绛说的“只求摆脱羁束,到处游历”。但世界并没有那么完美。

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,内乱频繁,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?“麻瓜”科学家们的心血结晶,是否是潜在的 “伏地魔”?

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。如果可以人类的自控能力可以化解这些问题,隐身衣便可以成为一桩流芳万世的福祉。

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,我们会需要到我们的Dr.You(加上那一期的连接)们的方法。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。

(完)

Reference
1 Leonhardt, U. Optical conformal mapping. Science 312, 1777 (2006).
2 Liu, R. Broadband ground-plane cloak. Science 323, 366 (2009).
3 Pendry, J. B. Controlling electromagnetic fields. Science 312, 1780 (2006).
4 Schurig, D. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. Science 314, 977 (2006).
5 Soukoulis, C. M. Physics: negative refractive index at optical wavelengths. Science 315, 47 (2007).
6 Valentine, J. An optical cloak made of dielectrics. Nature Materials 8, 568 (2009).
7 Zhang, J. Cloak for multilayered and gradually changing media. Physical review. C, Nuclear physics 77, 35116 (2008).
8 Zhang, B. Extraordinary surface voltage effect in the invisibility cloak with an active device inside. Physical review letters 100, 63904 (2008).

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23 Responses to “隐身衣的故事(三,四,五)”

  1. 说道:

    江湖传言的沙发?

  2. Netson说道:

    Dr.You(加上那一期的连接).....

    没有编辑好啊。。。。。。

  3. Netson说道:

    应该是要加上这个链接。。。https://songshuhui.net/archives/12259.html

  4. silymore说道:

    很想知道有没有折射率和空气一样的透明物质(固体),因为现在即使是透明的一块玻璃,你放在那也不是隐形的,总会看到玻璃的边缘因为折射率的不同而产生的轮廓

  5. BIGMUFF说道:

    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。如果可以人类的自控能力可以化解这些问题,隐身衣便可以成为一桩流芳万世的福祉。

    发明绝不是存乎一心的事,更多是是贪婪和好奇驱使的 和人的自控能力没关系

    • 八爪鱼说道:

      不过隐身衣这个东西,就像是原子弹一样,更容易破坏已有的秩序。即使能建立新秩序,也是从一个已经被破坏的旧秩序基础上建立的。所以我觉得隐身衣还是不要发明的好。

  6. laoma说道:

    (四)中的隐身衣是不是一定要求观察者同投影机在一个角度? 否则就没有定向反射了对吗?

    • Fujia说道:

      不一定要是specific一个角度,应该是有一个角度的区间。可以看看视频:)

      • laoma说道:

        知道了。
        还有,是不是要在很接近屏的地方穿隐身衣?

        • Fujia说道:

          我没查到这方面的数据,不好意思。我猜不需要特别近的。可以想象为一个投影仪放映图象到投影屏,一定的距离并不妨碍~

  7. juwp说道:

    到了隐身衣可以随便买到的时代,那反隐形技术将是战争的关键。~~《星际争霸》的社会-_-

    反隐形,我首先推荐用overlord

  8. 水龙吟说道:

    天哪,谁编辑的啊
    我们辛辛苦苦截的图,找的图片全部都没有了啊,这也太不尊重人了吧。。。。。

    >_<~~~~

    • Fujia说道:

      大部分是我的错我的错。。。不过我还有两个图呢。。为什么也没了

  9. 水龙吟说道:

    对了,第一个视频左边的马赛克是土豆自己加的吗?挡掉了好多字幕阿。。。。。

  10. lisiom说道:

    目前的各种cloak都存在各种各样的限制,未来前景还是建立在metamaterials的发展之上,如果人类能任意加工介电常数和磁导率的那天,隐身衣也离我们不远了

  11. tanya说道:

    何必这么麻烦呢?不如往超能力方向发展,或者和刘谦学学魔术。。。

  12. [...] 在自然界中,人类无法按照自己的意愿获得所有的材料,而往往需要利用科技手段对材料进行加工。例如,近几年流行的“纳米材料”就是在石墨等自然材料基础上,通过特殊条件下进行的加工,使原子与原子之间结合形成自然界中没有的特殊结构,从而在熔点、磁性、光学、导热、导电特性等方面获得原材料没有的特性。纳米材料成为科学家的掌上明珠的同时,另一群科学家却反其道而行之,他们并没有将材料的加工深入到纳米级别,而是将原材料制作成为比原子尺度大的多的众多单元,通过使单元与单元之间排列形成的特殊结构,来得到在介电常数,磁导率,折射率等方面原材料并没有的特性,被称作超材料(metamaterial),或超颖材料。超材料同以往的人造材料相比,其特殊之处在于,它的新特性更多的来自于宏观的结构,而不是微观单元的内在属性。这就好像一台由晶体管等电子器件组成的计算机,虽然任何一个晶体管在合适的条件下只会机械的放大输入端的电流,但整台计算机却拥有了它的每一单元都无法实现的强大计算能力。因此,虽然自然界中并不存在拥有负的介电常数,负的磁导率,负的折射率等奇异性质的材料,但科学家通过对超材料的研发,已经一步一步的把它们都实现了出来。例如,2006年到2009年之间关于“隐身斗篷”的一系列突破(Fujia关于隐身衣的文章请看这里和这里),就是利用了一种特殊的超材料。这种超材料使得在一个二维平面中传播的电磁波遇到障碍物时不被反射,而是绕过去继续传播。由于障碍物没有反射电磁波,看上去似乎不存在,于是起到了像电影《哈利波特》中的“隐身”效果。 图4隐身衣原理示意图 图5Duke大学研制的隐身衣 图6我们期待三维的隐身衣 [...]

  13. [...] 在自然界中,人類無法按照自己的意愿獲得所有的材料,而往往需要利用科技手段對材料進行加工。例如,近幾年流行的“納米材料”就是在石墨等自然材料基礎上,通過特殊條件下進行的加工,使原子與原子之間結合形成自然界中沒有的特殊結構,從而在熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等方面獲得原材料沒有的特性。納米材料成為科學家的掌上明珠的同時,另一群科學家卻反其道而行之,他們并沒有將材料的加工深入到納米級別,而是將原材料制作成為比原子尺度大的多的眾多單元,通過使單元與單元之間排列形成的特殊結構,來得到在介電常數,磁導率,折射率等方面原材料并沒有的特性,被稱作超材料(metamaterial),或超穎材料。超材料同以往的人造材料相比,其特殊之處在于,它的新特性更多的來自于宏觀的結構,而不是微觀單元的內在屬性。這就好像一臺由晶體管等電子器件組成的計算機,雖然任何一個晶體管在合適的條件下只會機械的放大輸入端的電流,但整臺計算機卻擁有了它的每一單元都無法實現的強大計算能力。因此,雖然自然界中并不存在擁有負的介電常數,負的磁導率,負的折射率等奇異性質的材料,但科學家通過對超材料的研發,已經一步一步的把它們都實現了出來。例如,2006年到2009年之間關于“隱身斗篷”的一系列突破(Fujia關于隱身衣的文章請看這里和這里),就是利用了一種特殊的超材料。這種超材料使得在一個二維平面中傳播的電磁波遇到障礙物時不被反射,而是繞過去繼續傳播。由于障礙物沒有反射電磁波,看上去似乎不存在,于是起到了像電影《哈利波特》中的“隱身”效果。 [...]

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