[圖文]隱身衣技術取得突破性進展
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台,進入蜂蜜色的城堡霍格沃茨學院,披上屬於自己的隱身斗篷,與伏地魔殊死搏鬥。但是幻想小說的很多讀者,並不知道有一些科學家正在研製傳說中的隱身衣,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。在這些科學家中也不乏中國科學家的身影。
古老的隱身幻想
遍尋古今中外,隱身的故事都伴隨著創造者的奇思妙想,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幹,試圖填補這一溝壑,在現實世界裡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裡,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。
而這一點在現代科學中仍然很難實現。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,無異於自掘墳墓。
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境融為一體,實現「擬態隱身」。這種「經濟有效」的方法在自然界裡以保護色、擬態等形式廣泛存在。田野中的變色龍,深海裡的八爪魚、比目魚,都是箇中高手,它們的身體可以跟隨環境的變化而改變顏色甚至形態,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的遙遠。
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,我們為何能看見物體?
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後會被阻擋並反射到人的眼睛裡。」人們可以通過反射或散射的光「看到」物體。那麼隱身衣如何隱身,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。那麼,物體對光的作用必須消失,減少反射,還原光線的傳播方式,將物體背後的信息傳遞給觀眾。簡單地說,就是光線碰到物體能拐個彎,然後回到原來的傳播方向,那麼在物體前方的人看到的就是物體背後的景象。
自公元60年希臘數學家希羅(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「隱身衣」對光線的彎曲要求。
兩百多年後的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,於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》裡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隱身衣的構想:故事裡主角發明了一種隱身衣,一通電就可以產生巨大的力場,實現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。難以想像這種「力場」隱身衣會造成什麼後果。
那麼製造大型隱身衣,甚至隱身黑洞呢?在電影《星際迷航》裡,羅慕倫人可以創造一個神秘的空間,將龐大的星際戰艦隱於其中。
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。創造這樣一個黑洞需要的能量大得難以想像。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,隱身衣便是製造了個光線旋流,隱藏了其中的物體。
隨著材料科學發展的日新月異,近十年來迅猛發展的超材料(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,終於為隱身衣轟轟烈烈的上台揭開了帷幕。
如火如荼的隱身衣研究
隱身衣愛好者也許會收藏
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,完全不受到隱於其中的物體的干擾,由此推導出隱身衣材料所需的光學參數。隱身衣的雛形已悄然出現。
4個月後的《科學》雜誌,美國杜克大學的
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》雜誌,
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,並陸續在《物理評論快報》上發表他們的闡釋。東南大學的
基於裡奧哈茨教授的「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
隱身衣已經從幻想中走進我們的現實世界。科學家們為隱身衣的發展而激烈競爭,使得隱身衣的發展速度令人咋舌。從超材料興起到隱身材料變為現實,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,也依然無法實現對可見光的隱身。但其對於防輻射,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製造大傷腦筋時,日本科學
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實。但如果你足夠細心,便可發現其中破綻。事實上,這種隱身材料並不能遮擋光線,它僅僅是在衣服上塗抹了反射性材料,利用攝像機將人體身後的景象拍攝下來,連線電腦再投影到衣服上而已。看似以假亂真,實際謬以千里。
這樣一個極具惡搞精神的發明其實也不簡單。在衣服上塗抹的回射材料(retro-reflective material)上,佈滿了許多細小的玻璃晶須,當光線照射到回射材料上,無數的細小晶須如同稜鏡一般,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。這種回射材料並不神秘。它早已廣泛使用於交通標誌、道路標誌與許多夜光設施中。
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於投影布,將材料之後的影像完全展示出來。但這樣的影像畢竟不同於周圍環境的自然光。於是,科學家們又設計了一個特殊的鏡子,使得投影的影像與環境影像緊密結合,觀察者肉眼並不容易分辨。
這個在技術不算複雜的發明雖離我們定義的「隱身衣」相距甚遠,但它依然有其現實意義。比如它有助於飛行員降落飛機時看清駕駛艙地板,使醫生進行外科手術時看清人體組織下的醫療儀器等。
隱身衣的未來
如果完美的隱身衣終於有一天變成了現實,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實運用中,無不用於人類互相傾軋,這樣一個發明是否有反人類的嫌疑?
也許,隱身衣發明的利弊,本就是存乎一心。如同炸藥、槍支等發明,其本身並沒有是非,對錯只在於使用它的人。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,當隱身衣飛速發展時,反隱身技術也會隨之迅猛前進,也許不需要那麼複雜,在地上灑一把麵粉,就可以使隱身人現跡。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,也期盼所有的憂慮並不成真。