寇曉明

在“80后”小時(shí)候，有兩個(gè)光學(xué)玩具很有名，一個(gè)是萬(wàn)花筒，一個(gè)是潛望鏡，玩的都是光的反射。潛望鏡比較簡(jiǎn)單，就是用兩塊平面鏡讓光線轉(zhuǎn)個(gè)彎，射向人的眼睛，潛水艇、坑道和坦克上都用到了它。

不過(guò)，讓光線掉頭容易，讓它像汽車(chē)一樣沿弧線拐彎可不容易。我們都知道，光在真空中是沒(méi)有折射的，只有在不同的介質(zhì)中傳播時(shí)，才會(huì)有折射和反射現(xiàn)象。不同介質(zhì)對(duì)光線的折射率是不一樣的。

介質(zhì)的折射率是由材料的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)決定的，當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，會(huì)因?yàn)檎凵渎什煌淖兎较颉Ｒ院Ｊ序讟菫槔?，在沙漠地區(qū)，當(dāng)氣溫很高時(shí)，熱空氣快速上升，造成近地面的空氣密度低于高空中空氣密度的反?，F(xiàn)象。低密度的空氣光折射率必然比高密度的空氣低。遠(yuǎn)方高處的物體反射的光，從上層較密的空氣進(jìn)入下層較疏空氣時(shí)被不斷折射，使得光線變成弧線進(jìn)入人的眼睛，人眼卻默認(rèn)光線都是直的，所以便發(fā)生了誤判。藍(lán)天反射來(lái)的光，常讓人以為是湖泊。

約翰·彭德里教授的隱身理論便是用一種裝置改變光線穿透介質(zhì)的折射率，使光線繞過(guò)被隱藏的物體，那么人眼就沒(méi)法看到被隱藏的物體了。打個(gè)比方，在一條繁忙的公路中間有一個(gè)障礙物，車(chē)流全部繞過(guò)障礙物，然后回到原來(lái)的行駛軌跡上繼續(xù)前進(jìn)。如果一個(gè)人坐在車(chē)?yán)锬嬷?chē)流向后看，他是看不到障礙物的。

道理聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，可要實(shí)現(xiàn)它絕非易事。首先得計(jì)算出使光線繞過(guò)被隱藏物體所需的材料折射率變化，其次需要找到滿足理論要求的實(shí)際材料。提出這種原理的科學(xué)家用基于光學(xué)保角變換的一系列數(shù)學(xué)物理方法來(lái)確定“隱身衣”所需的材料折射率分布，即磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的空間分布。換句話說(shuō)，隱身裝置的折射率是在不同的位置連續(xù)變化的。

可是自然界的材料大多只有均勻單一的折射率，滿足上述折射率分布的材料在自然界很難找到，只有依靠人工超材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。得益于21世紀(jì)初人工負(fù)折射率超材料的發(fā)展，科學(xué)家能夠相對(duì)容易地設(shè)計(jì)和制作具有特定磁導(dǎo)率和介電常數(shù)分布的人工陣列，例如由開(kāi)口諧振環(huán)組成的人工陣列具有可調(diào)節(jié)的甚至是負(fù)的磁導(dǎo)率。2006年杜克大學(xué)史密斯教授的研究組利用這一原理制作出了第一個(gè)能對(duì)微波頻率隱身的裝置。這個(gè)裝置大約1厘米高，直徑有大約12厘米，研究人員在它的中心放置了一個(gè)直徑5厘米的小銅柱，它成功地使照射在其上的微波繞道而行，從而實(shí)現(xiàn)了其自身和掩藏在其中的小銅柱在微波頻段的隱身。這項(xiàng)成功的實(shí)驗(yàn)也反映出了科學(xué)家面臨的挑戰(zhàn)，例如如何增加工作頻段的寬度從而使更多頻率的微波轉(zhuǎn)彎，尤其是如何實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光的彎曲（微波和可見(jiàn)光都是電磁波波譜的一部分）。這種隱身裝置工作的前提條件之一是尺寸必須要接近于工作波段的電磁波波長(zhǎng)，而可見(jiàn)光的波長(zhǎng)在390納米至700納米，如此小的尺寸使隱身裝置的開(kāi)發(fā)面臨很大的困難。而且，復(fù)雜且昂貴的人工超材料并不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)方便的選擇。

浙江大學(xué)的科學(xué)家采用的是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的線性均勻坐標(biāo)變換來(lái)進(jìn)行計(jì)算，從而降低了對(duì)介質(zhì)折射率的苛刻要求，用廣泛使用的光學(xué)玻璃實(shí)現(xiàn)了光線轉(zhuǎn)彎，無(wú)須人工超材料，而且隱身裝置的尺寸也不再受光線波長(zhǎng)的限制。這樣，人類(lèi)尺寸的光學(xué)隱身就可以成為現(xiàn)實(shí)了。

最近，得克薩斯州立大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家利用不同的原理開(kāi)發(fā)出一種很薄的隱身屏障。這個(gè)裝置可以在微波波段把一個(gè)1厘米長(zhǎng)的圓柱體隱藏起來(lái)。這種隱身衣基于波的疊加原理：當(dāng)兩束頻率相同、相位也相同的波相遇時(shí)，它們會(huì)疊加增強(qiáng)；如果它們的相位正好相反，兩束波會(huì)相互抵消。科學(xué)家正是利用了后者。照射在隱身屏障和被隱藏物體上的微波都會(huì)有一部分被反射回來(lái)，通過(guò)對(duì)隱身屏障的特殊設(shè)計(jì)，使得兩束反射回來(lái)的微波正好互相抵消，就如同不存在一樣。當(dāng)兩束相位相反的反射波相互抵消后，微波接收裝置便“看”不到隱身屏障和被隱藏的物體了。與前面提到的讓波繞道走的辦法相比，這種新方法更加實(shí)際，因?yàn)檫@種隱身屏障很薄，而且更容易制造。很多人很樂(lè)意將這個(gè)裝置同哈里·波特的隱身斗篷聯(lián)系起來(lái)，對(duì)隱身衣的發(fā)展持樂(lè)觀態(tài)度。這個(gè)原理也適用于可見(jiàn)光波段。不過(guò)，由于這種方法也要求被隱藏物體的尺寸接近于電磁波的波長(zhǎng)，而可見(jiàn)光的波長(zhǎng)在500納米左右，所以，在可見(jiàn)光波段，它只能隱藏小于1微米的物體——這么小的東西，就算不穿隱身衣，我們也看不見(jiàn)?。?/p>

讓光線繞道走的方法可以讓人隱身，但被隱身的人也接收不到可見(jiàn)光，所以，在把自己藏起來(lái)的同時(shí)，也等于把自己戳瞎了！

或許我們可以借鑒孫悟空的隱身方式，他把自己變成了一只飛蟲(chóng)，既能將自己隱身，又留有一點(diǎn)空間接收外界可見(jiàn)光。神話是美好的，很多神話中的東西到今天都已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，比如千里眼和順風(fēng)耳。沒(méi)準(zhǔn)將來(lái)有一天，這件在東西方神話里都出現(xiàn)過(guò)的隱身衣也會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。