隱身衣早已不再是幻想，聲光電熱各有隱身絕招_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-09-05 10:08
自古以來人類就想象一種隱身的能力，“隱身”至今仍時常出現在文藝作品或者電子遊戲中——往往是以魔法或者科幻的形式出現。風靡全球的《哈利·波特》中主人公的那件隱身斗篷就滿足了我們對隱身衣的幻想。實際上，這種能讓光“穿過”身體的光學隱身衣已經被研發出來。不僅如此，科學家對於物質在不同物理環境下的隱身都進行了廣泛而深入的探索，由此構造了不同類型的隱身衣，絕對超出你的想象。
撰文 | 徐磊（香港中文大學物理系教授）
實現隱身一直是人類身自古以來的夢想：從《西遊記》中孫大聖的隱身術到《哈利波特》中哈利的隱身斗篷，這一夢想受到全世界人們的廣泛關注。隱身在狹義上僅僅指用眼睛看不見，更廣義的隱身則不僅僅侷限於眼睛，而是泛指使用某一探測手段（如雷達、聲吶）無法探測到，就稱之為在這種探測手段下隱身。實現隱身在軍事上有重要的應用，比如隱身飛機、隱身艦艇等可以悄無聲息的接近目標，因此隱身技術成為各國在軍事領域的研究焦點。隨着科學技術的發展，各類隱身衣在許多不同物理場中成功實現，並且持續成為不同領域的研究熱點。隱身衣的原理是什麼？都有哪些不同的隱身衣？它們是怎樣被實現的？如果有朝一日可以穿上隱身衣，你打算給親朋好友一個怎樣的驚喜（驚嚇）呢？假如你對這些問題感興趣，這篇文章就是為你精心準備的 。
隱身衣的工作原理
欲要實現隱身，讓我們先了解一下為什麼我們可以看見。一種比較普遍的情況是：物體反射或散射的光線進入我們的眼睛，從而可以看見物體（如下圖所示）：
知道了這個原理，不禁讓人生出一個大膽的想法：如果一件衣服可以把光線完全吸收而不反射或散射任何光線，是不是就可以隱身了呢？眾所周知，黑色可以很好地吸收光線，穿一件超級黑色的斗篷覆蓋全身（如下圖所示），是不是就可以到大街上為所欲為了？事情可遠遠沒有這麼簡單。
很明顯，雖然在上圖中蝙蝠俠的黑衣吸收了所有光線，但是跟明亮背景的對比卻把蝙蝠俠徹底暴露，所以僅靠吸收光線無法實現隱身。
既然物體對光線的反射、散射、吸收都會暴露它的位置，那怎樣才能實現隱身呢？哈利波特的隱身斗篷為我們提供了正確的思路（如下圖所示）：
圖中，哈利波特的隱身斗篷實現了既不反射和散射光線，也不吸收光線，而是讓光線絲毫不受影響的按原路傳播。當哈利周圍的光線可以自由通過他的身體不受任何影響時，他的身體就憑空“消失” 了——我們可以清楚看到他身後的背景牆卻看不到他的身體。所以，設計隱身斗篷的基本原理是使光線的傳播不受物體影響。
原理雖然簡單，實現卻是難題：因為絕大多數物體都是不透明的，光線無法穿透它們繼續傳播。怎樣讓光線不受物體影響呢？目前的基本思路是設計一層特殊結構的材料包裹物體，而這層特殊材料可以讓光線繞過物體並沿着原來的傳播路徑繼續傳播（如下圖所示）。這層特殊結構的材料就是隱身衣。
如何讓光線繞過物體？普遍的做法是先從理論上計算所需的折射率，然後尋找具有這種折射率的材料從實驗上實現。一種重要的理論計算方式是2006年倫敦帝國學院的John Pentry教授及其合作者提出的變換光學理論。其關鍵在於利用座標變換的方式將一個體積為零的點變換成一個體積非零的區域，並將物體隱藏在這個特殊區域中。由於體積為零的點對光線傳播不會產生任何影響，它變換出來的特殊區域也會有類似的性質，從而實現光線繞過物體的效果，具體折射率參數可以從座標變換中求出，如下圖所示：
所以隱身衣的本質就是，製造一個光線會繞過的區域並把物體隱藏其中，從而實現隱身。這種方式已經可以在實驗中實現，比如用幾個透鏡製造出一個光線會完全繞過的區域，當把物體放入這個區域時外界完全無法探測到。怎麼樣，這個特殊空間可謂躲貓貓神器吧？你是否也想擁有並利用它實施一些大膽的計劃呢？
不同類型隱身衣的實現
這種利用透鏡製造出的隱身空間雖然可行，但卻遠不如隱身斗篷那樣方便實用——向物體上面一罩便可實現隱身。要實現像哈利·波特那樣的隱身斗篷，我們需要隨心所欲地控制光線偏折並使其繞過物體。這種偏折方式一般情況下是無法在自然界的材料中實現的，只有負折射率材料才能成功做到。而要實現負折射率就要用到一種特殊的材料：超構材料（Metamaterial）。
負折射率超構材料 圖片來源：維基百科
超構材料通常並不是天然材料，而是通過功能基元的設計和基元的特殊空間排列來構築的人工材料。它可以展現出許多新奇、超常的物理特性，並廣泛利用在光學、力學、聲學等多個領域，例如光學負折射率材料、力學負泊松比材料、聲學吸聲材料等。
左：負折射率超構材料。右：正折射率普通材料 圖片來源：Dolling et al., Optics Express, 2006.
（1）電磁波隱身衣
利用超構材料，科學家們在2006年首次實現了在微波頻率的電磁波隱身衣（見下圖）。微波跟可見光一樣都是電磁波，只是波長在更長的尺度（毫米到米）。我們常用的微波爐就是利用這一波段的電磁波給食物加熱。雖然這個隱身衣在可見光波長下看起來一點也不“隱身”，但是在特定的微波波長下（3.5釐米）它卻是隱身的，並且它內部的物體也被隱藏，無法被這種波長3.5釐米的微波探測到。
（a）微波隱身衣的結構設計。（b）隱身衣的數值模擬展示了微波通過隱身衣後繼續傳播。（c）實驗結果與模擬結果吻合。圖片來源：D. Schurig, et al., Science, 314, 977 (2006)
繼微波隱身衣之後，針對可見光的隱身衣也被科學家開發出來，並且發展出了許多不同類型。一種常見的設計方案是地毯式隱身衣：它能夠將物體隱藏在地毯式隱身器件下面，對於旁邊的觀察者來説，看到的效果就像平整的地面一樣，從而使物體隱身。設計原理本質上是通過特殊鏡面或隱藏裝置把本該照射到物體上的光線反射或折射繞過物體並按原路傳播。
圖片來源：wikimedia
圖片來源：IOA
（2）光學隱身衣
利用這一設計方案，科學家們在2009年成功實現了地毯式光學隱身衣（見下圖）。當沒有隱身衣時物體會把光線向各個方向散射（左下圖），而一旦穿上隱身衣光線的傳播方向則跟平滑的地板一模一樣（中下圖）：遠處的觀測者會誤認為只有地板沒有物體（右下圖），這就成功實現了隱身。
圖片來源：Valentine, Jason, et al. Nature Materials 8 (7), 568-571 (2009).
設計隱身衣時還有一個非常重要的實用原則，那就是隱身衣越薄越好。如果能夠像一件輕薄的衣服貼身穿上即可隱身，自然比一套厚重的鎧甲更方便實用。根據這一原則，科學家們開發出了超薄光學隱身衣：通過將一層80納米厚度的納米天線覆蓋在物體表面，這層納米天線不僅可以調節反射光的方向還可以調節反射光的相位，從而像平滑平面一樣反射光線並將物體掩飾為平滑地面（見下圖）。這層超薄納米天線顯然非常類似於隱身斗篷，但是它只能對特定波長的光（730nm）起作用。要想實現對整個可見光波段起作用的廣譜隱身衣，目前的技術尚不成熟，科學家們還需要進一步的努力。
圖片來源：Ni, Xingjie, et al., Science 349.6254 (2015): 1310-1314.
顯然，先進的科學技術逐步將光學隱身衣從影視故事變為現實。是不是披上光學隱身衣就可以人生開掛隨時驚嚇小夥伴呢？聰明的讀者可能會説：哪怕閉上眼睛我也能從腳步聲探測到別人靠近。事實確實如此，聲波和超聲波也可以用來探測物體，比如蝙蝠在黑暗中飛行，B超檢查身體，聲吶探測魚羣、潛艇等，都是利用了聲波或超聲波來探測物體的。相應的，針對聲波和超聲波的隱身衣研究也是如火如荼。
（3）聲學隱身衣
聲學隱身衣的基本原理與光學隱身衣相同：使物體對聲波的傳播不產生影響即可實現聲學隱身衣。具體實例如下圖所示，科學家設計實現了一種由16個同心環組成的超構材料聲學隱身衣：這些同心環可以引導聲波繞過中心的物體實現聲學隱身。如果只有物體放置在聲場中，會對聲場產生較大影響（上排圖片）；而加上隱身衣後，聲場傳播基本不受影響（下排圖片）。聲學隱身衣在很多領域也有非常重要的應用前景：比如潛艇的防聲吶探測、隔音設施的設計等。
（4）其他類型的隱身衣
除了光學隱身衣，聲學隱身衣，還有其他隱身衣嗎？答案是肯定的：熱學隱身衣也是一種常見的隱身衣。眾所周知，很多物體包括人體都具有跟周圍環境不同的温度，那麼根據這種温度的不同，可以利用測温裝置比如紅外探測器發現物體。因此，科學家們可以設計相應的熱學隱身衣：通過類似的原理可以設計針對熱流傳播方程的熱學超構材料並製造相應的熱學隱身衣。當穿上這種熱學隱身衣時，人體的温度就跟背景温度一致，從而實現熱學隱身，如下圖的紅外照片所示。
受到以上這些隱身衣的啓發，最近的研究熱點開始聚焦在流場中實現隱身。流場隱身衣追求把物體對流場的擾動降到最低，進而使外界無法從流場的變化中探測到物體。這種流場隱身衣2019年首次在多孔介質流場中實現，如下面的示意圖所示：沒有物體時流場是平直的（a），放入物體後流場被擾動（b），當覆蓋一層流場隱身衣後流場恢復平直（c）。這種流場隱身衣在水下航行器隱身和水下減阻等領域中具有重要意義。
同樣的，流場隱身衣也是越薄越好。有鑑於此，我們團隊（香港中文大學徐磊教授研究組）研發出了目前世界上最薄的殼層式隱身衣。我們的設計巧妙地結合雙層隱身設計的裏層與隱藏物於一體，將雙層隱身設計進一步縮減為單層隱身，從而實現最薄的流場隱身衣——其厚度僅為中間隱藏物體的千分之三。如下圖所示：理論計算顯示沒有物體時流場平直（A），放入物體後流場被扭曲（B），而覆蓋我們的超薄流場隱身衣後流場重新變為平直（C）。數值模擬展示了類似的結果（D, E, F）。實驗進一步驗證了沒有物體時流線平直（G），放入物體後流線變得彎曲（H），物體外披上我們的超薄隱身衣後流線重新變得平直（I）。這種超薄隱身衣對於實現物體的近場隱身有非常重要的意義。
小結
綜上所述，自然界存在各種不同的物理場，比如光場、聲場、温度場、流場，等等。針對不同的物理場均可研發各種隱身衣作為有效的反探測手段。這些隱身衣可以單獨使用，也可以組合在一起形成針對多物理場的超級隱身衣。隨着探測手段的日益提高，反探測的隱身研究也是水漲船高。還有什麼新的黑科技會從中誕生呢？讓我們拭目以待！
致謝：感謝陳夢謠博士、沈翔瀛博士對本文提供的素材和圖片。
參考文獻
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2. Gunnar Dolling, Martin Wegener, Stefan Linden, and Christoph Hormann, Optics Express, Vol. 14, Issue 5, pp. 1842-1849 (2006).
3. D. Schurig, et al., Science, 314, 977-980 (2006).
4. Valentine, Jason, et al. Nature Materials 8(7), 568-571 (2009).
5. Ni, Xingjie, et al., Science 349, 6254, 1310-1314 (2015).
6. Zhang, S., Xia, C., & Fang, N, Physical review letters, 106, 024301 (2011).
7. J Park, JR Youn, YS Song, Physical review letters, 123, 074502 (2019).
8. Chen, M., Shen, X., & Xu, L. The Innovation, 3(4), 100263 (2022).
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