圖:荷蘭藝術家德塞伊帕爾曼的隱身攝影作品,以化裝、改變造型等方法將模特隱入背景顏色中 ????也許在閱讀幻想小說《哈利·波特》時,很多讀者都曾經夢想穿越國王十字架火車站的九又四分之三站臺,進入蜂蜜色的城堡霍格沃茨學院,披上屬于自己的隱身斗篷,與伏地魔殊死搏斗。但是幻想小說的很多讀者,并不知道有一些科學家正在研制傳說中的隱身衣,雖然隱身衣至今仍然沒有面世,但相關技術已經取得了突飛猛進的進展。在 ????古老的隱身幻想 ????遍尋古今中外,隱身的故事都伴隨著創(chuàng)造者的奇思妙想,各種千奇百怪的隱身方法亦是異彩紛呈。古希臘就流傳著珀爾修斯(Perseus)隱身手刃女妖美杜莎(Medusa)的神話。中國古代亦有孫悟空使個隱身法偷蟠桃宴的仙酒,太乙真人為哪吒手繪隱身符瞞過東海龍王等神奇故事。夢想家們可以忽略幻想與現(xiàn)實間的巨大落差,讓想像力展翅翱翔,好在有科學家們一直埋頭苦干,試圖填補這一溝壑,在現(xiàn)實世界里為人們的美夢找到堅實的基礎。世界各地的探索者們一直都在孜孜不倦地研究各種可能的隱身方法。但許多看似異想天開的隱身故事里,似乎隱藏著縝密的科學原理。 ????科幻作家威爾斯筆下的隱身藥水,一直為科幻迷所津津樂道。這種奇藥可使身體組織喪失顏色,變得透明,進而消失不見。雖然這個科學過程被小說家忽略了,但我們可以略微猜想,這其中一定發(fā)生了許多生化反應,人體內的蛋白質等大分子變得不再可見。 ????而這一點在現(xiàn)代科學中仍然很難實現(xiàn)。蛋白質大分子對生物體的生存至為重要,而其顏色與可以吸收與散射光線的特性,與其本身的生化性質息息相關。如果人類嘗試著改變自身分子的光學性能,無異于自掘墳墓。 ????小說《魔戒》中,精靈女王送給哈比人的斗篷可以讓他們和周圍環(huán)境融為一體,實現(xiàn)“擬態(tài)隱身”。這種“經濟有效”的方法在自然界里以保護色、擬態(tài)等形式廣泛存在。田野中的變色龍,深海里的八爪魚、比目魚,都是個中高手,它們的身體可以跟隨環(huán)境的變化而改變顏色甚至形態(tài),使外界難以辨認。 ????然而,這一種隱身方法有著與生俱來的弱點:隱身人不可有任何動作,不能與外界有任何觸碰。即便“隱身人”真能一動不動,也只能騙過眼神不好的觀眾。如果只是沿著這個方向走下去,我們隱身的夢想還相當?shù)倪b遠。 ????隱身也有科學原理 ????隱身衣何以隱身?追本溯源,或許我們應該問,我們?yōu)楹文芸匆娢矬w? ????南京大學物理系祝世寧院士從事隱身衣研究多年,他在回答記者的問題時解釋說:“人之所以能看到物體,是因為光射到物體上后會被阻擋并反射到人的眼睛里?!比藗兛梢酝ㄟ^反射或散射的光“看到”物體。那么隱身衣如何隱身,便是一個光學問題。 ????我們希望隱身衣達到的效果是,當光經過需要隱身的物體時,就像該物體完全不存在一樣。那么,物體對光的作用必須消失,減少反射,還原光線的傳播方式,將物體背后的信息傳遞給觀眾。簡單地說,就是光線碰到物體能拐個彎,然后回到原來的傳播方向,那么在物體前方的人看到的就是物體背后的景象。 ????自公元60年希臘數(shù)學家希羅(Hero of Alexandria)起,人類不停地探索光的傳播原理。1662年,法國數(shù)學家費馬(Pierre de Fermat)所提出的費馬定理,告訴我們光線以最短距離—直線在空間內傳播,這個婦孺皆知、廣泛進入中小學物理課本的定理,似乎為讓光線繞著物體“拐彎”的隱身衣判定了死刑。雖然其折射定律也告訴我們在介質中光線會彎曲,然而天然材料根本無法實現(xiàn)“隱身衣”對光線的彎曲要求。 ????兩百多年后的1916年,愛因斯坦提出的廣義相對論又為隱身衣的理論帶來了另外一絲曙光。愛因斯坦認為,如果空間可以被扭曲,則空間內兩點間最短距離則不一定為直線,于是光線可以沿著這一扭曲的路徑,繞過巨大的天體彎曲前進。電影《神奇四俠》里蘇姍隱身的方法便接近如此。吳伯澤的一部科幻小說《隱身衣》更加清晰地說明了利用廣義相對論實現(xiàn)隱身衣的構想:故事里主角發(fā)明了一種隱身衣,一通電就可以產生巨大的力場,實現(xiàn)廣義相對論要求的情況,讓光線繞行。 ????然而這種隱身理論有很大的局限性,廣義相對論中需要質量很大的物體,比如黑洞、太陽等龐大天體才能較大程度上彎曲光線,而且空間的扭曲不能人為控制。縱使科學巨人如愛因斯坦,也無法設計出能用以控制光線彎曲與否的奇妙開關。難以想象這種“力場”隱身衣會造成什么后果。 ????那么制造大型隱身衣,甚至隱身黑洞呢?在電影《星際迷航》里,羅慕倫人可以創(chuàng)造一個神秘的空間,將龐大的星際戰(zhàn)艦隱于其中。 ????但千萬別忘了,為了隱身羅慕倫人可是付出了不能使用武器的代價的。創(chuàng)造這樣一個黑洞需要的能量大得難以想象。遺憾的是,我們既沒有無窮的能量,也不可能隨身攜帶黑洞出門逛街。這種思路的隱身“衣”只停留在科幻小說、電影與人類的夢想中。 ????人類也許無法扭曲空間,電磁場卻是可以被扭曲的。如同將筷子插進水中便可見其扭曲,隱身只是類似海市蜃樓般的光學幻覺。如同樹葉落入水流漩渦便不可見,隱身衣便是制造了個光線旋流,隱藏了其中的物體。 ????隨著材料科學發(fā)展的日新月異,近十年來迅猛發(fā)展的超材料(metamaterial)研究幫助科學家夢想成真,這些自然界聞所未聞的人工材料,終于為隱身衣轟轟烈烈的上臺揭開了帷幕。 ????如火如荼的隱身衣研究 ????隱身衣愛好者也許會收藏2006年6月23日出版的《科學》(Science)雜志。來自蘇格蘭圣安得魯大學的理論物理學家里奧哈茨(Ulf Leonhardt),與倫敦帝國學院的潘德利(J.B.Pendry)教授,分別在這一期頂尖學術刊物上發(fā)表論文,闡述他們對隱身衣理論基礎的計算原理。 ????英國的這兩位科學家,各自假設了電磁波如流水般在隱身材料表面流過,完全不受到隱于其中的物體的干擾,由此推導出隱身衣材料所需的光學參數(shù)。隱身衣的雛形已悄然出現(xiàn)。 ????4個月后的《科學》雜志,美國杜克大學的史密斯教授小組再次發(fā)表論文,向世人宣告微波隱身材料的誕生。他們運用潘德利教授的理論,巧妙設計了符合計算結果的隱身材料。在他們的實驗中,他們采用銅金屬與玻璃纖維,創(chuàng)造了一卷甜甜圈似的圓環(huán)材料。探測器所得到的信號表示,微波經過圓環(huán),恍若無物地會聚到圓環(huán)的另一側,如若清泉石上流,匯聚于石巖另一側一般,不留痕跡。 ????然而,這樣的設計只能針對某個波段的電磁波,效果也離羅慕倫人的隱身罩差了許多。2009年1月的《科學》雜志,史密斯教授小組的劉若鵬與其合作者再次發(fā)表文章,將隱身衣所適宜的波段大幅度增大,但依然局限于對微波段光路的改變。一切才剛剛萌芽。 ????在世界上的其他地方,隱身衣的研究也如火如荼地進行。浙江大學國際電磁科學院陳紅勝等計算完美隱身衣所需的各種參數(shù),并陸續(xù)在《物理評論快報》上發(fā)表他們的闡釋。東南大學的程強教授等與杜克大學進行合作,致力于提高隱身衣可使用的波段,并減低耗損。香港大學的科學家們則高瞻遠矚地開始研究“反隱身”技術。 ????基于里奧哈茨教授的“共形映射”(Conformal mapping)理論基礎,2009年4月的《自然·材料》(Nature Material)上,加州大學伯克利分校的張翔教授以及其團隊發(fā)表了他們的最新發(fā)明,首次實現(xiàn)了隱身材料可以在接近可見光的近紅外波段工作。 ????張翔教授小組制作了一個反射型“隱身衣”。他們在硅材料上鉆很多納米級長度的小孔,所制得的“隱身衣”覆蓋于物體上,可使其背后物體不對光波形成任何的散射。時隔半月,康奈爾大學的里布森(Michal Lipson)教授小組也發(fā)出了自己的論文,宣布他們采用如出一轍的辦法,所制造的隱身材料的波段更加接近于可見光。 ????隱身衣已經從幻想中走進我們的現(xiàn)實世界??茖W家們?yōu)殡[身衣的發(fā)展而激烈競爭,使得隱身衣的發(fā)展速度令人咋舌。從超材料興起到隱身材料變?yōu)楝F(xiàn)實,不過短短10年時間。雖然已問世的隱身衣尚不能覆蓋住一根手指,也依然無法實現(xiàn)對可見光的隱身。但其對于防輻射,屏蔽手機輻射等,會有許多應用意義。 ????隱身衣的變種 ????就在歐美的科學家們還在為理論計算與材料制造大傷腦筋時,日本科學家田智前教授(Susumi Tachi)與其研究小組另辟蹊徑,利用視覺偽裝(Optical camouflage)技術,制造了另一種奇妙的“隱身衣”。 ????這種乍看非常神奇的隱身衣,似乎已經把哈利·波特的故事帶到了現(xiàn)實。但如果你足夠細心,便可發(fā)現(xiàn)其中破綻。事實上,這種隱身材料并不能遮擋光線,它僅僅是在衣服上涂抹了反射性材料,利用攝像機將人體身后的景象拍攝下來,連線電腦再投影到衣服上而已??此埔约賮y真,實際謬以千里。 ????這樣一個極具惡搞精神的發(fā)明其實也不簡單。在衣服上涂抹的回射材料(retro-reflective material)上,布滿了許多細小的玻璃晶須,當光線照射到回射材料上,無數(shù)的細小晶須如同棱鏡一般,將入射光以入射的方向重新折射回空氣中。人肉眼所見,則是反射回的明亮光線,幾近透明。這種回射材料并不神秘。它早已廣泛使用于交通標志、道路標志與許多夜光設施中。 ????當攝像機將攝制好的圖像投影到回射材料上時,覆蓋了回射材料的衣服便相當于投影布,將材料之后的影像完全展示出來。但這樣的影像畢竟不同于周圍環(huán)境的自然光。于是,科學家們又設計了一個特殊的鏡子,使得投影的影像與環(huán)境影像緊密結合,觀察者肉眼并不容易分辨。 ????這個在技術不算復雜的發(fā)明雖離我們定義的“隱身衣”相距甚遠,但它依然有其現(xiàn)實意義。比如它有助于飛行員降落飛機時看清駕駛艙地板,使醫(yī)生進行外科手術時看清人體組織下的醫(yī)療儀器等。 ????隱身衣的未來 ????如果完美的隱身衣終于有一天變成了現(xiàn)實,如果隱身衣已經成為超市中隨意選擇的商品,這樣的世界將會如何? ????隱身衣也許很快就會成為為非作歹的工具。也許會成為未來戰(zhàn)爭的關鍵。也許會導致盜匪橫生,內亂頻仍,也許會使人心惶惶,也許人們之間不再有隱私,不再有信任,也許最基本的安全感都無法保證。畢竟隱身衣無論在科幻小說或現(xiàn)實運用中,無不用于人類互相傾軋,這樣一個發(fā)明是否有反人類的嫌疑? ????也許,隱身衣發(fā)明的利弊,本就是存乎一心。如同炸藥、槍支等發(fā)明,其本身并沒有是非,對錯只在于使用它的人。如果人類的自控能力可以化解這些問題,隱身衣便可以成為人類的福祉。 ????也許我們完全不必如此杞人憂天,當隱身衣飛速發(fā)展時,反隱身技術也會隨之迅猛前進,也許不需要那么復雜,在地上灑一把面粉,就可以使隱身人現(xiàn)跡。也許,完美如科幻小說的隱身衣依然十分遙遠。 ????且讓我們心存希望,期盼隱身衣研究的更多進展,也期盼所有的憂慮并不成真。 |