隱身衣:“裁剪”光的科學(xué)

錢 煒

早在1897年，英國科幻作家威爾斯在小說《隱形人》中就描述了這樣的故事：一個(gè)偏僻的小村里出現(xiàn)了一個(gè)渾身纏滿繃帶的人，引起大家的騷動(dòng)不安。這個(gè)名叫格里芬的怪人，在解開繃帶后就誰也無法用肉眼看見他了，因此他可以為所欲為，犯下了許多惡行。在威爾斯的小說問世40多年以后，好萊塢據(jù)此拍攝了電影《隱形人》，并衍生出“隱形人”電影系列。

實(shí)際上，在古今中外的文藝作品中，隱身技能是很多魔幻英雄的絕門功夫，從孫悟空的七十二變到哈利·波特的隱形斗篷無不如此。在人群中隱藏自己的奇妙體驗(yàn)不僅一直挑動(dòng)著人們的好奇心，也成為人類科技與軍事領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)需求。

在21世紀(jì)的今天，當(dāng)幻想之光隱約照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的時(shí)候，隱身衣究竟離我們還有多遠(yuǎn)？

隱形飛機(jī)：看得見的“隱身”

“戰(zhàn)地隱身衣也許會(huì)成為下一個(gè)軍事實(shí)力的放大器”，在2010年12月的美國《信號(hào)》雜志上，一篇題為《科學(xué)家尋求隱藏起戰(zhàn)地武裝》的文章表示，繼2006年研制出第一件“隱身衣”之后，美國杜克大學(xué)與普渡大學(xué)及美國軍方合作，在隱形材料的研制上取得了新的進(jìn)展。

實(shí)際上，隱形技術(shù)的運(yùn)用在軍事上并不新鮮。不過，在此之前所謂的“隱身”，并非讓人眼“視而不見”，只是讓雷達(dá)電磁波探測不到而已。

最早的隱形兵器是外型冷酷怪異的美國F-117夜鷹戰(zhàn)機(jī)。它的機(jī)身表面涂有一層黑色的雷達(dá)吸波材料。更重要的是，它運(yùn)用了多棱折面的反射原理，戰(zhàn)機(jī)的造型“凹凸有致”，這樣，雷達(dá)發(fā)射過來的電磁波經(jīng)過機(jī)身反射后，不能原路返回，從而達(dá)到隱身的目的。

F-117曾在1991年的海灣戰(zhàn)爭中大出風(fēng)頭，40余架戰(zhàn)機(jī)執(zhí)行了約1300次攻擊任務(wù)而無一受損。但到了1999年，美國與北約空軍空襲南斯拉夫時(shí)，一架F-117被擊落，另一架被擊傷，打破了F-117無法被發(fā)現(xiàn)和擊中的神話。于是，美國又研制出新一代隱形飛機(jī)——B2幽靈隱形轟炸機(jī)。

B2幽靈的機(jī)身上涂上了一種更先進(jìn)的雷達(dá)吸波涂料。在飛行中，這種涂料能把周圍的空氣電離，形成一層等離子體薄膜蒙在飛機(jī)的周圍，使雷達(dá)射來的電磁波被吸收或被散射。這種技術(shù)被稱為“等離子體”技術(shù)，近日被熱議的中國新一代隱形戰(zhàn)機(jī)殲-20據(jù)傳便是采用了此種技術(shù)來隱身。

然而，無論是“夜鷹”還是“幽靈”，它們都只是對(duì)雷達(dá)電磁波隱身，離真正“來無影，去無蹤”的隱身效果，還差十萬八千里。

讓光“拐彎”的“左手材料”

那么，有沒有穿上了就變透明、讓人肉眼看不到的真正的“隱身衣”呢？對(duì)此，復(fù)旦大學(xué)物理系教授黃吉平的回答是：“這個(gè)可以有。”

在威爾斯的筆下，格里芬變成隱形人的原理是，“把某種固體或液體物質(zhì)的折射率降低到和空氣一樣，而且除了改變顏色以外，不必改變物質(zhì)的其他性質(zhì)。這樣，一個(gè)物體既不吸收光線又不反射或折射光線，所以它本身就看不見了。”

而科學(xué)家們最新研究的隱身衣，其原理與此幾乎如出一轍——“就像河水遇到水中的石頭，順著石頭的表面流過去一樣，光線遇到隱形材料會(huì)拐彎，不會(huì)發(fā)生反射和折射，因此，你將什么都看不到，就像透明的一樣。”黃吉平這樣解釋道。

能夠產(chǎn)生這種隱形效果的，是一種被人們稱作“左手材料”的物質(zhì)。

在自然界中, 電介質(zhì)的兩個(gè)常數(shù)——介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為正值，因此入射光或電磁波的電場分量、磁場分量和傳播方向之間的關(guān)系遵從右手規(guī)則，這樣的物質(zhì)被稱為“右手材料”。這種右手規(guī)則也被看做物質(zhì)世界的自然法則。但在1968年，前蘇聯(lián)科學(xué)家菲斯拉格（Veselago）在《物理研究進(jìn)展》雜志上發(fā)表論文指出，當(dāng)某種材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率皆為負(fù)值時(shí)，其電磁關(guān)系就會(huì)與右手規(guī)則相悖，于是這種假想中的物質(zhì)被稱為“左手材料”。

“當(dāng)時(shí)囿于技術(shù)的限制，大家認(rèn)為這種左手材料是不存在的，因此菲斯拉格這篇文章發(fā)出來后一直無人問津。”北京師范大學(xué)物理系教授張向東介紹說，“直到1999年，英國帝國學(xué)院的彭德雷教授（Pendry）等人提出，經(jīng)過特殊人工設(shè)計(jì)的材料，可以在微波段實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，人們這才想起了30多年前菲斯拉格提出的理論，并開始佩服他的遠(yuǎn)見。”

2001年，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)家們根據(jù)彭德雷的提議，用周期性排列的金屬條和開口銅環(huán)制作出了微波段的一維左手材料。此后，對(duì)于左手材料的研究結(jié)果層出不窮，直至2003年，《科學(xué)》雜志將左手材料的研制列為當(dāng)年的“十大科技進(jìn)展”之一。

復(fù)雜的“裁剪”

然而，現(xiàn)有的左手材料僅局限于微波段的光，要研究真正的隱身衣就需要由微波段向可見光發(fā)展，而這卻遇到了一個(gè)難以逾越的障礙——左手材料對(duì)光的吸收問題。因?yàn)樽笫植牧洗蠖嘤山饘僦瞥桑饘匐娮拥牡入x子共振頻率與可見光的頻率相當(dāng)，因此，隱身衣會(huì)吸收更多的光，就會(huì)使物體形成一個(gè)陰影，從而無法達(dá)到完美的隱身效果。

《信號(hào)》雜志最新報(bào)道的普渡大學(xué)的研究成果，正是在這個(gè)問題上取得了重要進(jìn)展。

從外形上看，杜克大學(xué)于2006年研制的隱身衣實(shí)際上只是一塊不到5英寸寬的玻璃纖維板，上面布滿了銅圈和金屬線。而這次研制的新型隱身材料，則是一張用好幾層銀和氧化鋁織成的“漁網(wǎng)”。

“以往制作左手材料，會(huì)將增益材料置于母體材料的表面。增益材料的作用就是增強(qiáng)光場效應(yīng)，減弱材料對(duì)光的吸收。但他們的做法很巧妙，把夾在銀層之間的氧化鋁層掏空，將增益材料加進(jìn)里面，這就使增益材料的增強(qiáng)效應(yīng)提高了50倍，某種程度上解決了左手材料對(duì)光的吸收問題。”黃吉平解釋說，這一成果意義重大，因而2010年8月的《自然》雜志報(bào)道了這一研究進(jìn)展。盡管如此，這種材料仍有許多局限性。

現(xiàn)有的隱身衣，主要通過材料的微結(jié)構(gòu)尺寸和布局來達(dá)到對(duì)某種單一波長的可見光或微波的隱身。比如，要對(duì)波長3厘米的微波隱身，隱身衣的微結(jié)構(gòu)尺寸差不多只有3毫米或更小。而可見光的波長比微波要小得多，像綠光波長只有500納米左右，也就是說，能對(duì)綠光隱身的隱身衣，其微結(jié)構(gòu)的尺寸，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于500納米。這就給技術(shù)本身帶來一定困難。此外，不同的光，都要求隱身衣有不同尺寸和布局的微結(jié)構(gòu)，這就很難在同一件隱身衣上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同波長的光隱形。

然而，即使出現(xiàn)了能對(duì)所有可見光有效的隱身衣，還會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)問題：穿上這樣的隱身衣，雖然別人看不見你，但由于沒有光線進(jìn)入到你的眼睛，所以你也看不見對(duì)方。對(duì)此，該項(xiàng)目的美國軍方負(fù)責(zé)人哈蒙德表示，科學(xué)家們已經(jīng)想到，可以通過給隱身衣開個(gè)“窗戶”，或者安裝“開關(guān)”來解決這個(gè)問題。

《信號(hào)》雜志的文章指出，所謂隱形技術(shù)實(shí)際上是一種“控制光線的技術(shù)”，所以這種技術(shù)并不局限于用來研制隱身衣，比如，充分利用這種技術(shù)，人類可以制造出更精密的光學(xué)透鏡；此外，在納米水平上也可以延伸出“光刻技術(shù)”，用來制造更小的集成電路器件。這將意味著人們可以制作出更小的芯片，而單位體積芯片的存儲(chǔ)能力、集成能力則會(huì)隨著體積的減小而加倍，芯片的容量將因此而提高。

在人類頑童般的好奇心和各種現(xiàn)實(shí)需要的驅(qū)動(dòng)下，隱身衣離我們真的不再遙遠(yuǎn)。也許人們?cè)撻_始思考，穿上隱身衣后可能遭遇的社會(huì)與道德問題了！★