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隐身在未来将不再是一种超能力
隐身在未来将不再是一种超能力
8/1/2017 2:03:37 PM | 浏览:314 | 评论:0

从秦汉方士的隐身术,到哈利波特的隐身衣,再到军事上的隐形飞机,哪些是幻想魔术?哪些是科学前沿?人类是否能拥有变身隐身人的超能力?超能力又该如何实现?近日来自中科院物理所的研究员陆凌展示了现代隐身术的奇妙之处。

隐身在未来将不再是一种超能力

近日中科院物理所研究员陆凌展示了现代隐身术的奇妙之处。

 

  今天我想主要介绍下隐身其实是一门技术活。

  从古至今,隐身一直是人类的一个梦想,中国早在秦汉时期就有对隐身术的记载。那现在看来,当时的那些方法和方式都是十分可笑的。有一个非常经典的例子就是一叶障目,说的是有这样一个隐身的方子:如果你找到了螳螂在捕蝉时候用来伪装自己的那片叶子,你攥在手心里,放在眼前,周围的人就看不到你了。古代确实有一个书生这么做了,他立刻跑到集市上去拿东西,那结果也可想而知——留下了一叶障目这样一个笑话。

  但话又说回来,中国古代很多哲学思想确实是隐身的思路。第一个就是天人合一,说的是人和自然、环境的一个完美融合,如果做到这一点就可以隐身。大家看一下下面的这张图片,是在长城上拍摄的。如果你仔细看,在画面的中央,有一个行为艺术家,他在自己身上画上人体彩绘,巧妙地和周围的城墙、山景融合到了一起,所以从这个角度你很难发现他的存在。

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  而这位先生做的这件事情就很聪明,他拿着自己的平板电脑走到了山上,巧妙地将背后摄像机拍到的画面展示在了前面的屏幕当中,然后从这个角度看过去,你似乎就看不到他的脸了,而后面的天空的景象依然非常完整。

隐身在未来将不再是一种超能力

   但那毕竟是个小的显示屏,它的面积是有限的,所以他能隐身的区域也依然是有限的,现在韩国正在建造一幢摩天大厦,他们称之为隐身大厦,它隐身的原理也跟之前的一样,将非常多的电子显示屏铺满整个大厦的外墙。所以如果你将背后的景象显示在它的墙体上的时候,你就能看到这样一个隐身的效果——一幢摩天大厦在城市的正中央消失了。当然这么做的代价是非常高的,也非常耗电,并且从严格意义上讲,它们都是一种伪装术,并不是一种高级意义上的隐身,因为你毕竟是可以看到它的,只是你无法分辨它和它所在的环境。

   更高级的隐身术其实也可以用中国古人的思想来阐述,老子用“上善若水”来表达对水的敬意和赞美,确实是这样,水从它的源头慢慢地流到你的跟前,但当你看到它的时候,你并不知道它所经历的过程。隐身术也希望做到同样的事情——就是让原本直线传播的光线达到一个绕行然后继续前行的效果,这听起来非常的梦幻,但是它其实并没有那么难做到。

隐身在未来将不再是一种超能力

  这是一段演示实验,是在罗切斯特大学拍摄的。画面的正中央,大家看到的是兄弟俩,但哥哥的下半身却消失了。它的原理图就展示在下面。在熊猫这个位置是隐身的,蓝色的几根线代表的是四面镜子,它们两两互相成直角并排放着,红色就是光行进的路线。当观察者在屏幕的下方的时候,你所看到光是经过四次的反射后的光,绕过了这个熊猫所在的区域。

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  那么如果将刚才的四面镜子扩展到八面,另外四面对称地放在另外一边,那就可以看到小熊猫所在的这块空间已经完全被孤立起来了。但是这也只是在两个方向达到了隐身的效果,那如何才能在所有的方向做到隐身呢?

  有一个更巧妙的设计,是我在浙江大学的合作者陈红胜教授他的一个构思。这个思路就是有六块玻璃,你把它组成一个六角形的柱状结构,在中间的这块区域就是隐身的。把这个六角形的隐身装置放在了鱼缸的中间,当小鱼游进这个柱状体的时候,鱼缸一侧的观察者却只能看到背后的水草,而看不见这条小鱼。

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  我演示的这些实验都是在可见光的波段,也就是人眼能够看到的这个波长范围。那么在不可见光的范围内能够这样隐身吗?毕竟人是发热的,只要有体温就会不断发出红外波段的电磁波,就能被红外相机捕捉到。那么我们刚刚提到的隐身结构对红外的成像能起到怎样的效果呢?

  这是两张红外相机拍摄到的图片,上面这张是一只小老鼠,下面这张它有一半的身体是坐进了这个隐身结构里面,所以你完全看不到它。所以就算是夜视镜,你也看不到这个在隐身区域的物体或者人。

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  那这个结构的缺点在哪里呢?它的缺点在于它只能在六个方向达到隐身的效果。如果你的角度稍微偏一些,五度到十度就不起作用了。那么更加完美的隐身需要做到的是“各向同性”的这样一个效果,也就是需要一个柱状体、球体的一个结构,这样才能达到中间区域和外面在光学上完全隔绝。

  这样的一个完美隐身的要求,其实对科学家们的挑战是非常非常大的。所以在原理上,我们就必须摒弃刚才所说的,单单用直线来描述这样一个几何光学的概念,因为这只是一种近似。我们现在需要充分考虑光的波动性,因为从微观的角度来说,光线在微观上都是电磁波。在考虑了所有这些因素之后,经过了很多的努力,有学生做了这样一个理论的仿真动画。这里的红色和蓝色的条纹,表示的就是这些电磁波的波峰和波谷。所以你看到的其实是一束波从左边传来,从右边出去,但中间这个隐身的区域,外界的探测是完全侦查不到的,也就是说达到了完美的隐身的效果。

隐身在未来将不再是一种超能力

  这个例子看上去似乎是完美的,因为各个角度都能隐身,但它的缺点是什么呢?

  第一是它只对一个固定波长能达到隐身的效果。如果我们将这个红蓝之间的间隔,这个波长变大或者变小的话,它就无法从左到右这么完美地透射了,也无法把周边都匹配得这么好;

  第二点是这一类绕行的隐身术它的一个通病,也就是说隐身是相对的。在里面如果有一个人的话,他不能被外面的观察者看到,但是在里面,他自己一样什么都看不见,也侦查不到外面的图像;

  第三点涉及到实际的应用,比如说我们希望让一架飞机隐身,那我们就要把这架飞机放在这个隐身结构的正中央。但是从几何的比例上来说,需要造一座足球场放在它的周围,才能让这架飞机做到隐身。这个实际上是几乎是不可能的,那么怎样才能让一架飞机完美的隐身呢?或者说现在最好的科学技术能做出什么样的隐形飞机呢?

  下面我们就来介绍一下现在的隐形飞机的隐形原理。首先一般对飞机的探测是在微波波段,用的是雷达。雷达侦查的原理是从不同的方向往空间发出电磁波,这时候如果来了一架民航飞机,那一定会有部分的电磁波原路反射,然后被雷达探测到。于是我们就知道在多高的高空、多快的速度有一架飞机正在飞行。但如果是一架隐形飞机,它的外表形状和涂层都经过严密设计,反射波绝对不会沿着原路返回,而且会被吸收掉一部分,所以对雷达来说,它确实是隐形了。

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  但是聪明的观众可能也能看出来,如果我在四面八方、天上地下都放上这样的雷达,成为一个雷达网络,并且让它们之间协同工作,那么现在没有一个技术能让一架飞机真正在天空中消失。

  正是带着这样的一个想法或者问题,我和我在浙江大学的合作者叶德信教授找到了一个不一样的思路。我们设计了一种隐身材料,由这种隐身材料组成的结构,无论怎样,电磁波都会完美地穿透它继续前行,不发生任何的改变。它所需要的材料有两种,一种是铜,一种是常见的塑料,所以在实验室也能实现。这样的一个复合材料,它达到的一个效果是,电磁波在这个材料里传播的速度和在空气中完全一样,所以对于电磁波来说这种材料其实是就相当于空气。这也就是为什么即使我把它做成任意的形状或者大小,它都不会对电磁波产生任何的干扰。

  这一思路也就和刚才光线绕行的思路完全不一样了,这种思路对设计完全敞开。这样的隐身材料,不但在军事上会有很大的潜在应用前景,其实跟每个人的生活也都息息相关。

  你可能会有这样的体验:在家里装了一个新的无线路由器,你到其他房间、其他角落,你就发现信号很弱上不了网。或者当一边打手机一边走进电梯的时候,信号会断。这些其实都是同一个问题,那就是我们现在用的建筑墙体,以及铸造电梯的金属材料都不是这样的隐身材料,它都会散射或者阻拦电磁波的传播。所以可以想象,如果我们把刚刚提到的复合材料做成建筑或者电梯,那么我们就不需要这么多的路由器,也不需要这么多的信号发射塔了。

  经过这一系列的介绍,我认为隐身在未来将不再是一种超能力。

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