隐身衣真实存在吗？超材料的隐形奇异世界

妖狐艹你老母 2022-12-24 14:57 66阅读 0赞

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全文共**2222**字，预计学习时长**6**分钟

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图源：unsplash

虽然科幻小说中的技术常常令人不安，但作为科学家，笔者还是蛮喜欢想象几十年后未来世界的样子的。宇宙飞船最令我兴奋——幻想有一天我或我的子孙能够离开地球，远走高飞。

我也对地球上的科技应用感到好奇，比如那种看起来像魔法或是某种超自然的装置。我们探索古代神话和现代漫画中的神奇超能力，并寻找方法去实现。最近，笔者的研究主要集中在力场、传心术以及隐身术，这些其实都有一个共同的主题。

在翻阅书籍和论文时，笔者意识到，科幻小说中这些神奇装置的制造主要是出于军事需要。所有这些研究的核心是战争观念。力场保护人们免受炸弹和子弹袭击，传心术有助于窃取敌人的信息，隐形术可以将部队隐藏在遍布炮弹的国家战场上。许多科幻技术的探索都源于人类与生俱来的暴力。

正是这一点困扰着我。我很清楚，战争真实地存在于我们所在世界。探索空间和物理的界限是为了推进文明进步，让人类更富有智慧，更加团结，在世界通往未来和平的道路上更富内涵。但这并不是科技发展的动力。相反，驱动科技发展的是恐惧以及人们对权力的关注。

战争导致许多人死亡，他们所剩下的只有灵魂——如果你相信人人都有灵魂的话。有了隐形技术，我们就更接近于自己的灵魂，能来去自如，不被世界所察觉，但仍然能够干涉世界。

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图源：1933年电影《隐形人》

这种隐形术依赖于超材料，该物质经人们改造后，能与光发生不同的相互作用。将超材料植入物体中，这些超材料可以操控入射电磁（EM）辐射的路径。

电磁辐射涵盖范围极广，包括微波、可见光和伽马射线等等。辐射与物体的相互作用取决于物体的构成。例如，光在空气中的移动方式与在玻璃或水中的方式不同。这就是为什么我们看到光束进入水中时会发生折射的原因。

液体中的原子堆积更加紧密，而光必须与原子相互作用。光在不同介质中的弯折被称为“折射率”。科学家用通常的光速除以现在较慢的光传播速度来测量折射率。为了算出玻璃的折射率，我们用真空中的光速除以进入玻璃的光速，得出的折射率约为1.5。介质密度越大，折射率越高。

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超材料可以操控折射率，从而控制通过物体的光路。要使物体隐形，光路必须绕过物体。这样就会产生负折射率，这在光学领域被认为是一件无法实现的事情。也就是说，在能够实现之前，大家都觉得这是不可能的。

该技术的一个主要缺点是，超材料的植入结构必须小于所要控制的辐射波长。微波波长约为3厘米，那么植入结构必须比这个还要小。可见光的波长很小，范围从400纳米到700纳米。一个纳米与为5个原子的长度相近。制造隐形装置的部分挑战就在于操作尺度极其之小，但该工作已成功完成。

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可见光波长（单位：纳米）| 图源：美国国家航空航天局（NASA）

除了可以操控微波的超材料，我们还有可以控制绿光和红光的超材料。在操控红光的情况下，研究人员采用了玻璃、银和氟化镁薄层。薄层上刻有100纳米宽的方形孔，从而形成了一个蔓延的鱼网图案。当红光照射到所得超材料上时，折射率为-.6。

绿光超材料则略有不同，其依赖于等离子体光子学。该领域的目标是制造一种以光代替电的计算机芯片；与电相比，光的优势在于可以显著减少热量损失。

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澳大利亚国立大学（Australian National University）的超材料

我们拥有可以操控不同颜色的超材料，但要使物体真正隐形，我们需要制造一种能够操纵所有波长的材料，让物体完全不可见。这可能需要一种多层超材料，每层都能引导不同频率的光。

不用说，这肯定是一项艰巨的挑战。但是，即使超材料可能永远也不会被用来制作隐形斗篷，它们在医学领域仍具有巨大潜力。超材料可以用来拍摄细胞内部或DNA分子的部分螺旋结构。

另一种隐形方法需要依靠一种不同的但类似遮蔽的技术，即全息图。全息图与视觉错觉相关——记录物体的光散射，然后利用这些信息用激光重现物体，就会产生一个逼真的三维复制品。

现在，设想一台用来捕捉背景的先进全息相机。该背景具有景深和细节，无论从哪个角度看，观众都会被迷惑。全息背景将投射到人或物体面前，完全遮住他们的视线。如今，这种光学伪装已经问世，但呈现形式还处于初级阶段。目前的原型还无法令人信服，且缺乏深度。

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电影《银翼杀手2049》中的全息图。从全息图中制造隐形效果的困难包括以每秒30帧的速度录制，然后存储和处理数据。

因为等离子体光子学、光子晶体（旨在制造一种使用光而不是电的晶体管）和隐形技术之间存在内在的联系，所以物理学家们相信，在未来几十年内会有隐形斗篷这样的东西产生。但它是否会像科幻小说里的斗篷一样天衣无缝，这还无从得知。

我们拥有利用材料的天赋，用它们让生活更加方便舒适。问题在于，将技术更多地用于破坏还是创造：是会带来战争，还是会创造一个遥远的乌托邦。也许这两个想法相互交织，也许我们现在还看不清这种联系。

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编译组：刘露敏、孙津

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