隱形術一直令很多人癡迷不已，從傳奇神話到科幻小說，各種類型層出不窮。然而，作為一門「科學」，隱形術卻長久以來被認為是魔術一類的「奇技淫巧」，並不受到主流學界待見。但依然有學者為此奮鬥不已。這篇來自科學新聞的封面報道，為你揭開隱形術科學之旅的漫漫征途。

 

　　圖1：隱形術能使光或其他電磁波繞過自己，就像在平緩河面上的一塊石頭，水會繞過它卻不會激起哪怕一丁點的水波。在隱形競賽中，科學家們借鑒了科幻小說。

　　物理學家烏爾夫·萊茵哈特（Ulf Leonhardt）最近很得意，他從英國皇家學會那裡拿到了一筆新的經費，用來更進一步研究他的課題——使物體在平面上不可視。

 

圖2：物理學家烏爾夫·萊茵哈特，他在隱形術研究上孜孜不倦

　　萊茵哈特出生於前東德，現在與聖安德魯的蘇格蘭大學從事理論物理的研究。為了實現科幻小說中的久遠夢想：隱形裝置（cloaking devices），科學家們展開了世界範圍內的競賽，而萊茵哈特就是當中的領跑人之一。這些裝置能使光或其他電磁波繞過自己，就像在平緩河面上的一塊石頭，水會繞過它卻不會激起哪怕一丁點的水波。這種東西能像拳擊手躲避拳頭一樣讓光從旁掠過，所以是看不見的。

　　「隱形裝置」是技術文獻中的常用術語，還故意使人想起神話故事和通俗小說。暗示還包括《星際迷航》中Romulan人那樣的技術。這種技術在舊的《星際迷航》 「Balance of Terror」一集中出現，當敵方的猛禽戰鬥艦「呼」的一下消失不見的時候，觀眾們都震驚了。另一個例子就是J.K.羅琳的小說《哈利波特》中哈利的隱身斗篷。追溯得更遠一點，赫伯特·喬治·威爾斯的小說《隱身人》（還有同名電影和續集《隱身女》）中玩的也是同一個點子。J.R.R.托爾金也在他關於霍比特人的故事中賦予一個戒指類似的能力。其實這種故事也早在千年前出現——柏拉圖的《理想國》中，牧羊人Gyges從地震產生的裂縫裡找到的魔法戒指。

　　萊茵哈特今天在隱性領域備受推崇，但他的故事並沒有一個使人振奮的開頭。他早期失意後期得意的故事，很能說明這個領域為什麼能如此快地成為進入科學的主流領域——他的故事也使一些專家也感到吃驚。

　　他說：「在隱形技術（cloaking）還不流行的時候我就已經開始從事這方面的工作了。」那大概是在10年前。和一些同事默默工作數年後，他寫了一篇題為《Optical conformal mapping》的論文。摘要的第一句正中要害「一個隱形裝置應該能使光線繞過一個物體，使這個物體看起來根本不在那裡。」

　　2005年，他把論文寄去了《自然》，但被退回了。（《Nature》雜誌，科學領域的頂級綜合性期刊之一。今年是《Nature》的140週年紀念。）然後寄去《自然：物理學》（《自然》旗下的一個物理學期刊），但結果還是一樣，根據萊茵哈特的回憶，編輯只花了2天時間就把他的文章打回來了。隨後，他把文章又寄給《科學》（《Science》，和《Nature》同級的科學類綜合性期刊）。等待了兩周後，被拒絕的命運依舊。

　　2006 年初，他又試了一次。這次是《物理評論快報》（物理學領域最權威的期刊之一），還是沒有獲得通過。其中一名審稿人說，萊茵哈特用的數學工具太古典了（計算上用了麥克斯韋和牛頓關於光的方程，還有歸功於科學巨人們的數學結構，比如費馬、拉格朗日、歐拉、笛卡爾、歐幾里得、凱卜勒、愛因斯坦和費曼），不夠「新物理學」（註：由於量子物理的發展，以牛頓力學、關於電磁場的麥克斯韋方程組、愛因斯坦的相對論為代表的經典物理學受到一部分物理學家的厭惡，他們希望能夠利用只屬於量子物理學的方法來研究物理學，而不是經典物理套舊東西。）

　　但另一位審稿人的指摘則開闊了萊茵哈特的眼界：並不是只有他在做這方面的研究。那份評估書（通常會給萊茵哈特也發一份）指，這位審稿人在數個月前去出席了兩次會議，「會上約翰·彭德利（John Pendry）討論了他的小組在同一個問題上的努力，他們叫它隱形裝置，或者引用哈利波特系列的隱身斗篷的典故，叫霍格華茲計畫（Hogwarts project）。」評估書補充道，彭德利和他的同事們「恐怕已經為這東西申請專利了。」這位匿名的審稿人宣佈：因此，這項工作並沒有創新性，也沒有發表在《物理評論快報》上面的價值。

　　這使萊茵哈特很驚訝，他無意中已經和彭德利展開競爭了，而對方是英國最傑出的科學家之一。彭德利不僅僅是倫敦大學帝國學院的理論物理學教授，他還是「約翰爵士」——因為他對科學的貢獻，英女王在2004年授予了他爵位。他的名氣主要來源於他再光學理論和超穎材料（這種材料在自然界中是找不到的，它幾乎不會折射光線——甚至是倒過來）方面的成就。（註：Metamaterial，超穎材料，超常介質，超材料等。最近才誕生的物理學名詞，指在自然界中不存在，具有特殊電磁學性質的材料。文中出現的就是對光線的折射率很低，甚至是出現負的折射率。這種材料中甚至能觀測到超光速現象。）萊茵哈特對遇上了如此卓越的對手感到很高興，但是對於自己論文遭受的對待則感到很憤怒。因為彭德利的團隊並沒有公開他們的工作，萊茵哈特去信《物理評論快報》爭論，認為雜誌應該盡快刊登他的論文，而不是拒絕。此外，萊茵哈特主張，一項正在申請的專利不能成為拒絕一名獨立研究的局外人的理由。

　　就在此時，他的命運突然來了個180°的轉變。

　　他回憶道，《科學》最終還是想要發表我的論文。雜誌剛剛收到了彭德利團隊的論文，參與者包括彭德利密切的合作者大衛·史密斯（David Smith），美國北卡羅來納州杜克大學的一位電氣和計算機工程師。題目是《Controlling electromagnetic fields》，整體內容與萊茵哈特所提交的驚人地相似。在2006年5月末，這兩篇文章都刊登了，並引起了轟動。世界上幾十個團隊開展了製造裝置的工作，然而，概括地說，只是測試了新的簡練的數學設計。

 

圖3：超穎材料斗篷——超穎材料製造的斗篷（外面的圓）能引導光線。

　　這年晚些時候，《科學》把這兩篇論文和隱形技術提名為2006年最頂級的科學突破之一。《科學美國人》提名彭德利、史密斯和萊茵哈特為該雜誌選出的最好的50名研究者。萊茵哈特最近獲得了英國皇家學會授予的西奧·墨菲藍天獎，同時還有連續兩年提供的充足資金，使他能夠繼續從事通過操縱光和其他電磁波來達成的隱形技術。根據指示，還有研究通過改變周邊的水使水流繞過小島或者鑽井平台。

　　彭德利這年獲得了聯合國教科文組織的尼爾斯·波爾金獎，表彰了他在這個領域的工作。

　　前景漸明朗

　　在過去的4年裡，頭條新聞已經報道了萊茵哈特走出的第一步，還有眾多團隊不僅是朝著隱形裝置的方向努力，還有超清晰鏡頭、全方位反射體（萊茵哈特的其中一個專長）和像坍縮星那樣會吞噬光線的的人工黑洞。所有這些看上去很厲害的東西，都是誕生於同一個基本的光學的。在arXiv.org這個物理學網站上，過去一年就發表了超過30篇題目上有「cloak」或者「cloaking」的論文。

　　迄今為止，所有的這些裝置都已經經過了理論驗證，但是還遠遠達不到實用程度。此外，小型的裝置還不能是一些物件很完美的隱形，也不能使很大的物件隱形。但是在一些波長範圍內已經能做到隱形的物體不用顯微鏡看不出來的程度了。因為遮蓋較長波長的裝置比較簡單，所以第一個取得成功的是微波——波長能夠以英吋來測量。一些裝置能在紅外線下工作，這類光波的波長甚至比針頭直徑還小。而能在波長更短的光波下有效的裝置也被提上了議事日程。

　　萊茵哈特和彭德利仍然在為這方面奮鬥——他們也仍然在競爭。兩個人一受到點刺激就會開始抱怨，對方在發現「隱形技術」這件事上得到的榮譽比他應得的要多。

　　當彭德利在說萊茵哈特第一篇發表的論文「有一個好的方案」是，他補充道，萊茵哈特做的超出了他的能力範圍。「烏爾夫並不誠實，他做的並不是完全的隱形，頂多是接近隱形。」——因為他的方法並沒有一個完整的措施來把光作為波處理，只是把光當做是一個射線的集合。萊茵哈特反擊說：「他完成了相當重要的工作，但是他不是完成了所有的工作。特別是這個研究領域和廣義相對論的聯繫，這是我們完成的工作……他製造了一個印象，好像整個領域都是他的功勞，同時他使用了我的研究成果卻沒有提到它們。」

　　但是，研究界互相拆台的做法在競爭激烈的新興科學領域並不少見。但所有研究者們都有一個共識：進展已經在加快了。彭德利說：「這個領域使我震驚。」萊茵哈特說：「人們跳上一個主題，然後取得成功。那裡有一些極好的想法。比我能夠想像的有趣多了。這個領域在理論方面結束的非常快，現在是讓它成為現實的時候了。」

 

　　圖4：隱形裝置——這個1厘米高的隱形裝置利用超穎材料來使電磁波繞過它的中心，然後在另一邊重新回到原來的光路上。2006年，杜克大學的大衛·史密斯和他的同事們報告他們用這個裝置隱藏了一個很小的銅圈。

　　其他一些案例：

　　張翔（音）（美國加州大學伯克利分校及羅倫斯伯利克國家實驗室）說他和其他一些人著眼於一種隱性材料，這種材料應該可以在可見光波長下生效，但這個現在還是秘密，不能說太多。他預告說：「它可以妨礙你，你能感覺到它，但你看不到它。」這條秘方需要更多的研究，他說，大約再過一年才能公之於眾……或者更久。

　　在印第安納州的West Lafayette的普度大學，物理學家弗拉基米爾·沙拉耶夫（Vladimir Shalaev）很肯定他也能做到，並且很樂意談談這種材料（基本上，是鏡子和空氣），但他還不確定怎樣實用化。（沙拉耶夫教授的論文發表了在《科學》上，國內權威媒體也出現過相關報道）

　　康奈爾大學的物理學家邁克爾·利普森（Michal Lipson）和她的團隊演示了一個「微型披風」，一個藏有方塊的小型的、平的反射面。那個隆起的部分看起來和這塊「毯子」的其他部分一樣平。團隊把這個提交到了《自然—光子學》上面。而張翔的伯利克團隊做了同樣的事情，在7月份的《自然—材料學》上報告了這一結果。「這就像我們在空間這塊織物上扯開了一個口。」瓦倫丁說，「光不會跑那去。」

　　這一年在《物理評論快報》，曾經在伯利克受訓，香港科技大學的物理學家陳子廷（Che Ting Chan）所領導的團隊描述了一種稱為「遠程隱形」的技術。這個裝置不僅（從理論上）能使一個物體隱形，還能把設置在物體旁邊（而不是周圍）的裝置隱形。團隊的一篇論文提到，隱形，僅僅只是控制光線的第一步，它使一個物體看起來像是空氣一樣。團隊宣稱，更進一步，是一個物體看起來像是另一個物體也是可能的。比如說，把一個蘋果變成一個香蕉。研究者們稱這個分支為「光學幻象（illusion optics）」。

　　這些理論有的只能在一個很窄的波長範圍內有效，通常是在平面的、二維的空間設立的。很難找到一個瞭解這方面的人來斷言永遠不會出現一種能夠把它和它的內容物隱藏在所有波長之中的裝置——如果你在可見光下看不到，那麼雷達、紅外線、紫外線或者X光總有一種能夠看到它。但是實際用途越來越樂觀，這使得有很多資金來源推動研究。

　　在美國，國家科技基金會的項目官員羅伯特·特魯（Robert Trew）說，主要部門在支持這項工作——電子、通信和網絡系統——已經有將近一千五百萬美元的合同完成了，涵括了16個獎項。美國國防部高級防禦研究計畫（DARPA）已經支持這類研究10年了——起初是一種半隱蔽的披風（並不是很機密的東西，但同樣不會在媒體上公開）。雖然很難得到確切的數字，但是 DARPA在這10年裡大約在超穎材料上花費了五千萬美金，其中包括隱形技術的研究。

　　在間接提到隱形工程的時候，彭德利現在認為「大部分的工作很快就會走到暗處」。畢竟美國軍方的錢，其他國家也一樣，敏感的東西都是放在角落裡的。

　　延伸空間裡的密洞

　　雖然「隱形技術」作為一個名詞已經賺足了公眾的眼球，但在更廣的範圍裡，它被稱作變換光學（Translation Optics）。它的力量來源於麥克斯韋非凡的財產，用於描述光和其他電磁輻射行為的經典方程組。這個方程組是不變的，也就是說在不同的坐標系統中都是通用的。因此物理學家們能追蹤當一個實物精確地彎曲成形狀很不一樣的物體——或者反過來時光的行為。一個無限小的點在一個數學空間內，沒有光波對其造成影響。這個點可以轉移到另一個坐標系統，從而擴展成為一個三維空間。但是這時還是沒有光或者其他輻射可以看到這個空間。

　　萊茵哈特在《科學》上那篇富有創意的論文將之描述為共形映射（conformal mapping）。就像地圖製作者把地球儀上的地理位置覆蓋到一個平板上一樣——比如一個墨卡托投影——數學家可以吧一個物體的表面繪製到另一個物體上面，或者是使這兩個物體的表面一樣。而麥克斯韋方程組在那裡仍然適用。

　　彭德利在《自然》7月30日的一個採訪中清除地解釋了這個概念： 「設想一個我們正在談論的光學系統……被嵌在一個橡膠介質中。然後我們拉伸這塊橡膠，所有的光還是會經過這塊橡膠……直到所有的光線都在按所希望的方向傳播為止。」換句話說就是「拉伸這塊橡膠」同樣是在描述新制的隱形物料的性質必然要怎樣改變——它每一個點上的折射率必須被怎樣處理——才能允許麥克斯韋方程組如期發揮作用和驅使光繞過隱藏的地方。舉例來說，我們假設一個光無論如何都會繞過的球體橡皮，假設一條直線L穿過橡皮的中線點，光線沿L到達橡皮，然後繞過去，有重新回到L繼續前進。當橡皮變形的時候，光線可能就不會回到L上了，我們要通過不斷的調整，使橡皮變成一個體積為原來兩倍的球，而光線還是會回到L上。這時我們把物體A放到球裡面，物體A就被球體隱藏起來了。具體要怎樣調整才能達到效果則需要用到麥克斯韋方程組來計算，運用方程組的其中一個條件就是要知道物料的折射率。

　　正因為這個原因，關於隱形技術的論文常常會散落著符號ε和μ。這些是希臘字母，分別代表一種材料的介電常數（electrical permittivity）和磁導率（magnetic permeability）。這些數值描述了一個物質對於電磁輻射中振動的電場和磁場是怎樣反應的。改變這寫數值可使光減慢、加快，從而發生折射或者轉向。（當光的一部分變得比其他部分慢的時候，波前會突然轉向。）當其他特徵在決定一種材料有多透明時需要基於一個給定的波長時，介電常數和磁導率在所有波長下的特性都是一樣的。它們是組成折射率的一部分。

　　而超穎材料比起自然物質而言，折射率要容易被改變得多（甚至可以去到一個負折射率的點，使得光線轉向超過一半而原路返回）。所以超穎材料就是科學家要找的那種材料。

　　不像自然界提供的原子和分子（它們介電常數和磁導率的組合是有限的），新穎的超穎材料可以混合和配置介電常數和磁導率，精確地改變基本的折射率，使得光線可以在隱形物料構成的空間裡面轉呀轉的，遵守法則的同時又不會變成直線傳播。

　　經過的光波長越短，結合光學行為生產出來的超穎材料就要做的越薄。所以當你看到第一個可用的隱形物料直徑只有一張CD的那麼長，但厚度要比CD薄得多時就不會感到奇怪了，而且這種隱形物料只對微波有效，這種微波的波長在空氣中大約是1英吋。這個裝置有杜克的史密斯團隊在2006年製造，有一條很顯然的天線一樣的銅絲嵌在一套玻璃纖維材質的同心環中。

　　該年年初，張在伯利克的研究室使紅外線繞過了隱藏區域，這種光波的波長要短的多。畢業生瓦倫丁和他的同事們使用一束聚焦的離子束在硅基半導體上打上以各種方式排列的孔洞，以其製造一種平面隱形材料。無獨有偶，在康奈爾，利普森的團隊在硅片上精確地排列了密密麻麻的小釘子，以此改變介電常數，使得紅外線照在上面的時候像照在鏡面上一樣反射了，而沒有留意到罩在下面的方塊。紅外線反射的狀態就如照在平面上的時候那樣——方塊和其他在下面東西被隱藏起來了。

　　瓦倫丁談到那個平面隱形材料的時候說：「效果並不理想，起碼現在是這樣，」首先，它只在二維平面有用；其次，它有一種特殊卻沒什麼用的幾何特性，使得研究者只能改變它的介電常數，於是就得用那些磁導性差但有利於電場的普通材料。孔洞和釘子和容易就能改變一種材料的毛密度，從而改變電學反應。「但是它有效，所以這是個開始。」隱形材料在平面上對紅外線範圍內的波長有效果，從1400納米到1800納米之間。這個方案在可見光就沒用了，波長範圍在400到700納米。至少沒有研究者明確地知道製造方法。至於比這波長更短的——從紫外線到X光，甚至更低的——現階段還純粹是科幻的內容。

　　當問到怎樣才能把超穎材料做得像非自然材料的「原子」那樣，小到足以很平滑地引導可見光的時候，瓦倫丁的老闆張有點言辭閃爍。他說，他和其他的一些團隊有想到一些東西。具體是什麼？「我不能告訴你」他說，「這方面還有更多工作要做。」直到那個想法經過驗證和公開為止，張不會再說更多了。

　　顯然，超穎材料和變換光學的數學特性已經使研究者們想到一些新的方法去操縱電磁輻射。比如在普度大學，沙拉耶夫領導的一個團隊發現，用於描述光怎樣沿著光導管（實質上是做了鏡面處理的管子）傳送的方程組，與用於描述不同的折射率怎樣平滑引導光路的方程組是很相似的。這表明，當光導管變的很窄，管壁間的距離相當於在傳導的射線的波長時，射線就會慢下來。如果導管太窄，那麼射線就不能通過了。但如果通路僅僅大一點，射線就會沿著通路轉向了。沙拉耶夫提出了一個裝置，把一塊鍍金的凸面鏡放在鍍金的平面鏡上。在射線從一邊進入時，凸面鏡和平面鏡之間的縫隙就會縮窄。當縫隙小到射線不能通過的時候，射線就會繞過凸面鏡凸起的部分，在另一邊匯聚，然後繼續前進。在5月的《物理評論快報》上，沙拉耶夫和他的同事報告了一種用這種光導管裝置製造的單層隱形材料，能覆蓋大約50毫米寬的一個微小區域。正如他所說的：「我能夠隱藏一根頭髮。這是個好開始。如果我知道怎樣隱藏一個人，我就能拿諾貝爾獎了。」

　　對於現在所有讓人興奮的事情，史密斯說：「這方面最基本的構想已經出現很長一段時間了，有些在麥克斯韋的時代就有了。」有一篇寫於1961年的論文，刊登在俄羅斯一本沒什麼名氣的期刊上，作者是叫做列夫竇林的光學專家。他運用麥克斯韋方程組來調節介電常數和磁導率的方式，跟後來10年彭德利和萊茵哈特所用的的一樣。

　　但不管科幻意義上的隱形能不能實現，箭已經離弦了。控制光和其他射線的新方法似乎必然會出現。「有一個截然不同的光學在等著我們」史密斯說。

　　沒有人能預言一種對所有探測器有效地隱形裝置。但即使在這點上，科幻小說也詭異地預言到了。記得Romulan的戰艦嗎？他們的隱形也不是完美的——企業號的的船員知道了怎樣追蹤他們，不管有沒有隱形。

　　還要記住一件事。如果一種隱形材料可以使一個物體對於外界完全隱形，那麼外界對於裡面的物體來說照樣是隱形的。在這件完美斗篷中的東西（或者人）不僅是隱形的，而且是個瞎子。