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隐身技术真的快实现了吗?

利维坦 <更多内容 2017-09-13 08:59:36

原标题:隐身技术真的快实现了吗?

利维坦按:自然界中有两种我们也许听过的变色动物——章鱼和变色龙。前者通过感光细胞调节体内色素达到变色,后者通过表面的纳米晶体结构折射光线。

2012年12月初,加拿大Hyperstealth Biotechnology科技公司宣称掌握了一种“量子隐形(Quantum Stealth)”,并声称该技术得到了美国与加拿大两国军方的支持。下图为官方产品展示照片:

这是一家成立于1999年的科技公司,主要产品是军用迷彩服装,至今已经为约旦、智利、阿联酋等地生产了大量的迷彩服。但对于前文提及的“隐形衣”,官方只给出了少量看上去模棱两可的照片。曾有记者就此事给五角大楼发去咨询,但并未得到回应。相对靠谱的是下文中提到的几个突破,虽然离“隐形衣”还很遥远,但至少能让人看到了未来的可能。

文/Michio Kaku

译/杨睿

校对/石炜

在《星际迷航4:抢救未来》中,进取号的船员成功劫持了一艘克林贡战斗巡洋舰。如果你不是《星球迷航》的铁粉,不太清楚这件事意味着什么,请听我娓娓道来:星际联邦是人类与众多爱好和平的外星种族一起组建的和平联盟,而克林贡是一个好战的外星种族,站在星际联盟的敌对面。克林贡船上有一种秘密的“隐形装置”,能让整个飞船在光或雷达下隐形,在伏击联盟星舰时就很容易全身而退。知道了这些之后,你就该明白进取号成功劫持一艘克林贡船是多么伟大的创举!

图源:Heyday Films

现在,让我们从影视作品回到现实。这样的隐形设备真的可行吗?从很久以前开始,隐形一直是科幻小说和幻想世界的奇迹之一。从英国科幻小说家乔治·威尔斯(H.G. Wells)笔下的《隐身人》(The Invisible Man)到《魔戒》,再到哈里·波特系列,很多作品中都出现了隐身的元素。然而,物理学家却坚决认为隐形是不可能实现的,他们声称隐形违反了光学规律,不符合已知的物质特性。

但今天,不可能成为了可能。“超材料”(metamaterials,又被称为左手材料)取得了新进展,这种人造材料可以在某种意义上控制光的移动,它的诞生让光学教科书不得不进行重大的修订。这类材料的原型已经在实验室中成为现实,引起了媒体、工业和军方的浓厚兴趣,他们迫切地想要知道可见物如何能够隐形。

现代光学真正开始于19世纪中叶,苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)取得的成就是开启这段现代光学史的重要里程碑。两个世纪前的剑桥见证过牛顿的发明;两个世纪后,剑桥又见证了麦克斯韦的成就。麦克斯韦是一名数学物理系的学生,成绩非常出众。微积分是牛顿的发明,利用微分方程来描述物体在时空中运动的方式。麦克斯韦在数学工具的帮助下开始探索电磁学的本质。

物理学家法拉第发现电可以生磁,磁也可以生电,电和磁都可以被看作一个“场”(理科的你还记得右手螺旋定则吗?)。麦克斯韦用精确的微积分语言重写了法拉第的场概念,得到了8个看起来很难的微分方程,这个“麦克斯韦方程组”是现代科学中最重要的系列方程之一(任何一个想要掌握电磁学物理学家和工程师,都必须翻过这座大山)。

接下来,麦克斯韦问了自己一个重要的问题:变化的磁场会产生电场,反过来也如此,那如果这些场永不间断地相互转变,会发生什么呢?麦克斯韦发现,电磁场在空间中波动的方式很像是海上的波浪。他计算了波的速度,惊讶地发现它等于光速!1864年发现这一事实后,他写下了这样一句预言式的话:“波的速度如此接近光速,我们似乎有充分的理由得出这样的结论:光本身......就是一种电磁干扰。”

这可能是人类历史上最伟大的发现之一。人类第一次揭开了光的神秘面纱。麦克斯韦突然意识到,日出的壮观、夕阳的余晖、彩虹的色彩斑斓和穹苍中的星星都可以用波来解释。今天我们才意识到,无线电波,包括广播频率和雷达、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线,整个电磁波谱都能用麦克斯韦光的波动理论来描述。

麦克斯韦的光学理论和“所有事物由原子组成”的观点为光学现象提供了简单的解释,为隐形奠定了基础。举例来讲,大多数固体都不透光,因为光线以波的形式传播,无法通过固体中致密的原子结构。相比之下,许多液体和气体是透明的,是因为可见光的波长可以更轻易地通过排列松散的原子之间较大的空隙。钻石和其他晶体是一个例外:它们既是固体,又是透明的。这是因为晶体的原子虽然包裹得很紧,但它们排列成精确的格状结构,为光束通过提供了许多通道。

根据麦克斯韦方程组,隐形这种性质必须发生在原子层面。即使隐形成为可能,要借助普通手段重复实现隐形效果也是非常困难的。要想像哈利·波特一样隐身,你必须煮沸、液化他,使他结晶,再次加热后冷却他。即使是对一名巫师来说,所有这一切都是很难实现的。

光线从真空(左上角)进入原子结构更密集的透明介质中,光的速度减慢,方向改变:光的传播路径改变,或变成折射。材料越致密,光线传播得越慢,偏折的角度也越大。所以光在钻石中比在水中偏折得更多,在空气中传播时几乎不发生偏折。在自然介质中,光的偏折绝不会发生在图中假想线(虚线)的左侧。要做到这一点,介质必须具有所谓的负折射率。现在,这一障碍已经被称为超材料的特殊人造材料打破了。光的大幅偏折不再只是纸上谈兵。图源:jacdepczyk.com; netcells.net

当然,除了改变某人或某物的原子结构之外,还有其他的光学手段。目前,隐形研究的核心是操纵“折射率”。把手放进水中,或是透过眼镜镜片看东西,你会注意到水和玻璃改变、弯曲了普通光的路径,这就是折射。光线进入致密的透明介质时,速度减慢。但在真空中,光速始终保持不变。给定材料的折射率=光速÷介质内较慢的光速。由于光速÷光速本身=1,因此天然材料的折射率总是大于1(天然介质内光的传播速度

本文来自大风号,仅代表大风号自媒体观点。

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