隱身衣:“裁剪”光的科學

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：一個偏僻的小村里出現了一個渾身纏滿繃帶的人，引起大家的騷動不安。這個名叫格里芬的怪人，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，好萊塢據此拍攝了電影《隱形人》，并衍生出“隱形人”電影系列。

實際上，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不僅一直挑動著人們的好奇心，也成為人類科技與軍事領域的現實需求。

在21世紀的今天，當幻想之光隱約照進現實的時候，隱身衣究竟離我們還有多遠？

隱形飛機：看得見的“隱身”

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

實際上，隱形技術的運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夜鷹戰機。它的機身表面涂有一層黑色的雷達吸波材料。更重要的是，它運用了多棱折面的反射原理，戰機的造型“凹凸有致”，這樣，雷達發射過來的電磁波經過機身反射后，不能原路返回，從而達到隱身的目的。

F-117曾在1991年的海灣戰爭中大出風頭，40余架戰機執行了約1300次攻擊任務而無一受損。但到了1999年，美國與北約空軍空襲南斯拉夫時，一架F-117被擊落，另一架被擊傷，打破了F-117無法被發現和擊中的神話。于是，美國又研制出新一代隱形飛機——B2幽靈隱形轟炸機。

B2幽靈的機身上涂上了一種更先進的雷達吸波涂料。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的周圍，使雷達射來的電磁波被吸收或被散射。這種技術被稱為“等離子體”技術，近日被熱議的中國新一代隱形戰機殲-20據傳便是采用了此種技術來隱身。

然而，無論是“夜鷹”還是“幽靈”，它們都只是對雷達電磁波隱身，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？對此，復旦大學物理系教授黃吉平的回答是：“這個可以有。”

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，不必改變物質的其他性質。這樣，一個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拐彎，不會發生反射和折射，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。

能夠產生這種隱形效果的，是一種被人們稱作“左手材料”的物質。

在自然界中, 電介質的兩個常數——介電常數和磁導率都為正值，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系遵從右手規則，這樣的物質被稱為“右手材料”。這種右手規則也被看做物質世界的自然法則。但在1968年，前蘇聯科學家菲斯拉格（Veselago）在《物理研究進展》雜志上發表論文指出，當某種材料的介電常數和磁導率皆為負值時，其電磁關系就會與右手規則相悖，于是這種假想中的物質被稱為“左手材料”。

“當時囿于技術的限制，大家認為這種左手材料是不存在的，因此菲斯拉格這篇文章發出來后一直無人問津。”北京師范大學物理系教授張向東介紹說，“直到1999年，英國帝國學院的彭德雷教授（Pendry）等人提出，經過特殊人工設計的材料，可以在微波段實現負的介電常數和磁導率，人們這才想起了30多年前菲斯拉格提出的理論，并開始佩服他的遠見。”

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

復雜的“裁剪”

然而，現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展，而這卻遇到了一個難以逾越的障礙——左手材料對光的吸收問題。因為左手材料大多由金屬制成，而金屬電子的等離子共振頻率與可見光的頻率相當，因此，隱身衣會吸收更多的光，就會使物體形成一個陰影，從而無法達到完美的隱身效果。

《信號》雜志最新報道的普渡大學的研究成果，正是在這個問題上取得了重要進展。

從外形上看，杜克大學于2006年研制的隱身衣實際上只是一塊不到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”。

“以往制作左手材料，會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光場效應，減弱材料對光的吸收。但他們的做法很巧妙，把夾在銀層之間的氧化鋁層掏空，將增益材料加進里面，這就使增益材料的增強效應提高了50倍，某種程度上解決了左手材料對光的吸收問題。”黃吉平解釋說，這一成果意義重大，因而2010年8月的《自然》雜志報道了這一研究進展。盡管如此，這種材料仍有許多局限性。

現有的隱身衣，主要通過材料的微結構尺寸和布局來達到對某種單一波長的可見光或微波的隱身。比如，要對波長3厘米的微波隱身，隱身衣的微結構尺寸差不多只有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，能對綠光隱身的隱身衣，其微結構的尺寸，要遠遠小于500納米。這就給技術本身帶來一定困難。此外，不同的光，都要求隱身衣有不同尺寸和布局的微結構，這就很難在同一件隱身衣上，同時實現對多種不同波長的光隱形。

然而，即使出現了能對所有可見光有效的隱身衣，還會出現另一個問題：穿上這樣的隱身衣，雖然別人看不見你，但由于沒有光線進入到你的眼睛，所以你也看不見對方。對此，該項目的美國軍方負責人哈蒙德表示，科學家們已經想到，可以通過給隱身衣開個“窗戶”，或者安裝“開關”來解決這個問題。

《信號》雜志的文章指出，所謂隱形技術實際上是一種“控制光線的技術”，所以這種技術并不局限于用來研制隱身衣，比如，充分利用這種技術，人類可以制造出更精密的光學透鏡；此外，在納米水平上也可以延伸出“光刻技術”，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能力、集成能力則會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實需要的驅動下，隱身衣離我們真的不再遙遠。也許人們該開始思考，穿上隱身衣后可能遭遇的社會與道德問題了！★