送你一件隐身衣

送你一件隐身衣

2015-12-17 18:49:11  科学画报
本文作者:黄吉平

2015-12-17 18:49:11
作者:黄吉平
来源:科学画报
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     爱因斯坦(1921年诺贝尔物理学奖获得者):“好奇心是每个健康孩子天生就有的,然而它常常过早地消失。”

    丁肇中(1976年诺贝尔物理学奖获得者):“科学很大一个作用是满足人的好奇心,这是人和动物的最大区别。”

    曾有人问我:“今天的科学为什么能够达到这么高的层次?”

    我立即回答:“那是因为人类拥有一颗无与伦比的好奇心。”

    试想,如果法拉第(1791-1867)对电与磁之间的转变并不好奇,那么他也就不可能揭示电磁感应定律(这是一个描述磁如何产生电的物理定律)。我这里为什么说法拉第是源于“好奇”的呢?一个很重要的原因就是,他发现了这个定律后,他并不知道这个定律有什么用——这个事实,历史有记载。由此可见,他当初的实验探索完全出于个人的好奇,并非出于功利之心。但是,就是这么一个“好奇”的副产品,其后导致了我们人类生活发生了翻天覆地的变化:我们今天的生活已经离不开电了,我们日常生活中用到的电几乎全部来自发电机,而发电机的关键工作原理就是——法拉第揭示的电磁感应定律。所以,可以这么说,科学发展是由好奇心驱动的——也应该由好奇心驱动,而非功利心。

    既然好奇心这么重要,那接下来我就问一个古今中外、人皆“好奇”的问题:

如何实现隐身?


 

1:会72变的孙悟空

2:隐形人

3:隐形女人

    针对这个问题的答案,我相信所有人都感兴趣。前人对这个问题的回答在神话故事或科幻小说中可以找到很多。例如:四大名著之一《西游记》中的孙悟空(图1)有72种变化,这是作者吴承恩(1506-1582)对如何实现隐身的一个构想;威尔斯(1866-1946)1897年发表科幻小说《隐形人》(图2),其中主人公发明了一种方法,使得自己的折射率均匀分布,从而光没有散射和吸收,这样别人也就看不到他了——实现了隐身。此外,1940年的电影《隐形女人》(图3)中,该隐形人可以产生一个可以扭曲空间的场,她的场可导致光绕着她传播,从而实现隐身;还有,大家熟知的魔幻小说或电影《哈利·波特(4)中,主人公有一件隐身衣,穿上它可以躲避伏地魔的追杀——实现隐身了。


 

4:哈利波特

    上面介绍的隐身方法来自神话故事或科幻小说,读者看了未免觉得虚妄、不现实,然而,科幻作家克拉克(1917-2008)早就说过:“任何先进技术都与魔法相似。”当然,隐身技术也不例外。上面介绍的各种技术,尽管像魔法那样的不现实,但它们可以刺激人们对隐身技术的寻找、思考和应用。

    例如:自然界中有一种爬行动物叫变色龙(图5),它的体表颜色能随环境色彩而变化,这其实就是一种很现实的隐身技术,这种技术使得变色龙可以免收天敌侵害。基于这个原理,人们发明了迷彩服,例如荒漠迷彩服(图6)或林地迷彩服(图7),士兵穿上这些衣服在荒漠或森林中行军时,由于衣服与环境色彩相近,也就不易被敌方发现,从而达到保护自己的目的。

5:变色龙


6:解放军07式荒漠迷彩服

7:解放军07式林地迷彩服

    当然,人类在隐身技术方面的探索并不止步于向变色龙的简单学习和复制。事实上,人们基于回射投影也实现了一种隐身技术(图8-9),这种技术的原理比较简单(图8),就是在人背后安装一台摄像机,把他背后的环境图像拍摄下来,通过电脑处理后,投影到此人的前面,这样,在此人面前的人将看不到此人——因为看到的仅仅是此人背后的环境图像(图9)。

8:回射投影技术

 

9:基于回射投影技术实现的隐身效果

    可以看出,这种基于回射投影实现的隐身技术,固然能够实现隐身,但是,在实际使用时仍旧会面临种种限制,例如旁观者如果换个角度观察,此人也就不能再隐身了。再且,这种隐身技术在军事上,用途不大,这是因为探测军事目标时,通常需要使用雷达进行探测,雷达探测目标的原理很简单:即由雷达发射电磁波,这个波碰到对方目标(例如舰艇、飞机)后,会沿原路返回,该返回的电磁波经过进一步分析,人们也就可以获得目标物体的位置、速度等信息了。鉴此,针对雷达探测,科学家也已经实现了一些隐身技术,例如:多棱折面的反射技术、等离子体隐身技术。

    什么是“多棱折面的反射技术”?它的工作原理就是几何光学中的反射定律:一束光线入射到一个表面上,该光线会被反射,且反射角等于入射角。鉴此,人们把待隐身物体的表面设计成折面结构,从而使得入射电磁波不能沿原路返回,这样雷达也就接受不到反射回来的电磁波,自然无从获得目标物体的位置、速度等信息;图10是展示该原理的一个示意图。第一代隐形飞机,如F117夜鹰战机(图11)就是利用的这种隐身技术。

    图10:(左图:普通表面)雷达发射的电磁波经过舰艇表面反射后,其反射波可以在各个方向出现,故而,雷达可以收集到反射波的信息;可见,该结构使得该舰艇暴露于雷达的监测之中,故而不能实现隐身。(右图:多棱折面)雷达发射的电磁波经过舰艇表面反射后,其反射波不能沿入射路线返回,故而,雷达收集不到反射波的信息;该结构使得雷达探测不到该舰艇,从而使得舰艇实现隐身。

11F117夜鹰战机

 

12B2“幽灵隐形轰炸机

    那么,什么是“等离子体隐身技术”呢?这个技术以B2“幽灵隐形轰炸机(图12)为例介绍即可。B2“幽灵隐形轰炸机属于第二代隐形飞机,它的表面涂了一种能够产生等离子体的涂料,在飞行中,该涂料把周围的空气电离,形成一层带电薄膜(等离子体)蒙在飞机的周围,这就使得雷达射来的电磁波被吸收或被散射,从而雷达接收不到反射回来的电磁波,因此,该飞机也就实现了隐身。

13:(左图)光(红线)在均匀材料中直线传播;(右图)左图中的材料被扭曲后光在其中的传播路径

 

    图14:壳与核之间是隐身衣,光线(黑的实线)从隐身衣中传播出去,并且不改变原来的传播方向,这就使得核内物体不被光“感知”——核内物体实现隐身效果了。

    但是,到这里,科学家们研究隐身技术的梦想还远远没有完结。2006年,科学家提出了一个全新的隐身原理,它是基于麦克斯韦方程组的形式不变性而得到的。麦克斯韦方程组是一组描述电磁波运动规律的方程。那么,什么是“麦克斯韦方程组的形式不变性”呢?为了理解之,我们考虑一个情景(图13):一束光(光是电磁波的一种)在均匀玻璃(或其它任何均匀材料)中穿行,按照我们的日常经验,想象得出来,玻璃内的光会沿直线传播(图13左图),这时,我们假设光和玻璃都突然被“冻结”在一起,然后,我们扭曲一下玻璃(假设玻璃允许我们任意扭曲、挤压),可以想象,这时光在玻璃里面也得相应地被扭曲、不再沿直线传播了(图13右图);此时光的非直线传播现象并不影响我们继续使用麦克斯韦方程组,只是此时玻璃不再均匀,其材料性质(例如用于描述电磁波传播的介电常数和磁导率等物理参数)发生了变化而已。换言之,如果下次我们直接让同样的一束光从同样的入射角照射这个扭曲之后的玻璃,这束光的路径必然与先前扭曲后的路径一致,呈现非直线传播。这个现象所蕴含的科学原理就是“麦克斯韦方程组的形式不变性”,即:麦克斯韦方程组既适用于扭曲之前的正常空间(图13左图),也适用于扭曲之后的扭曲空间(图13右图)。可见,基于这个原理,人们可以设计材料,使得光(或电磁波)能够绕过某个特定的区域后,继续传播、并不改变原先的传播方向,从而使得该特定区域内的物体不被入射光探测到——也就是说,这个物体实现隐身了(图14)。具体说来,基于这个原理,人们可以设计一件类似哈利·波特的那件隐身衣,孙悟空穿上它也不必再自己变化了,这时光线会沿着衣服绕过孙悟空继续前进,如此,孙悟空也就不会被别人(如二郎神)发现了。该隐身衣,在理论上,已经得到严密论证,符合科学原理,迄今,在实验上也已经取得重要的阶段成果——例如,对单个电磁波频率,能够获得很好的隐身效果。当然,要在实验上实现真正意义上的、可以应用的隐身衣,科学家还有很长的路要走。例如:鉴于实际的可见光(或电磁波)包含很多频率,那么,如何把针对单个电磁波频率的隐身推广到针对多个电磁波频率呢?还有,如何解决材料对入射光或电磁波的吸收问题呢?这个吸收的存在直接导致隐身衣区域出现阴影,显然,观察者可以通过观察该阴影区域来推知被隐藏的物体,故而这个物体也就被暴露、不再隐身了。

    不过,有了这些问题并不可怕,正如爱因斯坦(1879-1955)所说:提出一个问题往往比解决一个问题更重要。因为解决一个问题或许只是一种技能,而提出新的问题、新的可能性,从新的角度去看问题,却需要有创造性的想象力,标志着科学的进步。” 这些问题,以及更多问题陆陆续续地被提出来了,无数科学家正在刻苦攻关之中。

    此外,还值得一提的是,基于麦克斯韦方程组的形式不变性获得的这类隐身衣,从现象上看,它与上文提及的1940年电影《隐形女人》中的隐身原理有一致之处。这也说明,科学与文艺,不仅相通,而且可以互为引导、促进对方发展。除此之外,君不见文学名著《西游记》中的神仙千里眼不正对应着今天的全球卫星定位系统(GPS)吗?还有,《西游记》中的另一位神仙顺风耳不正对应着今天的手机、电话等可以远程通话的设备吗?

    可喜的是,鉴于这类隐身衣在电磁波领域的巨大成功,中外科学家正致力于把该隐身原理推广到声波、地震波、水波、以及热流。无疑,这些推广将使得隐身技术对人类未来更加有用,例如:设计声波隐身衣,可以使得人们免收噪声的干扰;设计地震波隐身衣,可以使得建筑物免收地震的破坏,从而保证人民群众的生命财产安全;设计水波隐身衣,可以保护海边建筑物,以免被海啸损毁;设计热流隐身衣,可以使得人类居室四季如春,不受寒暑交替的影响。

责任编辑:微科普

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