隐身技术真的快实现了吗?

摘要: 如何隐藏自己真是个诱人的问题。

11-01 12:42 首页 利维坦

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

原文/www.naturalhistorymag.com/features/02937/invisibility

 本文基于创作共用协议(BY-NC),由杨睿在利维坦发布


图源 jacdepczyk.com; netcells.net


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<光速)。某种材料的折射率通常是一个常量:光进入给定物质(如玻璃)时,以特定的角度发生偏折,继续沿直线传播。


伦敦大学皇后玛丽学院的教授Yang Hao领导团队完成了一个用于“隐形”的金属板,板面覆盖有7个折射率成梯度排列的超薄覆膜,用以折射电磁波来隐藏物件。图源:cnn


但是,如果我们可以随意控制折射率,比如说,让玻璃中光的传播以点到点的方式不断发生变化,结果会怎样?如果一束光可以像蛇一样在组成物体的原子周围爬行,创造自己的路径,沿光线进入的同一条直线离开材料,那这个物体可能就变成不可见的了。为了做到这一点,物体需要以特殊的方式使光发生偏折,这就需要使用负折射率的介质。过去几十年来,所有光学教科书都说这种负折射率的介质是不可能存在的。然而,到2006年,位于北卡罗来纳州达勒姆的杜克大学普拉特工程学院和伦敦帝国理工学院的研究人员成功挑战了传统的认知,通过利用超材料操纵折射,实现了物体在微波辐射下的“隐形”。


科学家们设计了一种超材料,这种物质具有自然界不存在的光学性质。微软前首席技术官内森·梅尔沃德(Nathan Myhrvold)表示,超材料“将彻底改变我们对待光学和电学几乎所有方面的方式......(它们)可以完成几十年前还被看作奇迹的壮举”。


杜克大学工程师制造的这种超材料依赖于微小的植入组件,这些植入组件迫使电磁波以特殊的方式发生偏折。微型电路嵌入到与电炉线圈相似的同心圆铜圈里,如下图所示。这些植入组件是陶瓷、聚四氟乙烯、纤维复合材料和金属制成的混合物,可以在设备四周以特定的方式引导微波辐射改变传播路径。植入组件内部的小铜圆柱体不能被微波辐射检测到。但它确实投下了一片极小的阴影。真正的隐形需要消除所有反射和阴影。


要了解辐射在超材料设备周围发生偏折的情况,可以想象一下河流绕过石头的方式。水迅速绕过石头,石头是看不见的。同样,超材料可以连续改变、偏折波的传播路径,使它们绕着圆柱体流动,基本上可以使圆柱体内的所有东西在微波下不可见。

 

杜克大学工程师开发的隐形设备:这种设备利用超材料在微波频率下实现了隐形。每个部件高1cm,整体约十英寸(25.4cm)宽。嵌入同心环中的微型电路使微波辐射的路径发生偏折,电磁波围绕隐形装置流动,实现了装置和被放置在装置中心的物体的“隐形”。图源:杜克大学


通常来讲,植入这种超材料内的内部结构必须小于需要重新定向的波长。例如,要使波长为3cm的微波发生偏折,超材料内嵌入的植入组件必须小于3cm。但为了让物体在波长为500纳米的绿光下不可见,嵌入超材料中的植入组件长度就必须仅为50纳米左右。(一纳米等于十亿分之一米,大约能容纳五个原子。)建立这样的原子级结构需要非常先进的纳米技术,是现代工程面临的局限。消除这些局限可能是工程师制作真正的隐形设备时面临的关键问题。


计算机芯片行业已经开始使用纳米技术,在更小的规模上实现更好的性能。实验室宣布制成超材料之后,这一领域的活动十分活跃,每隔几个月就会出现新的见解和惊人的突破。科学家的目标是要开发出可以令可见光发生偏折的超材料。微波隐形只是个开始。


半导体行业的发展促成了新型超材料的诞生。“光微影术”或“光学光刻”(optical lithography)技术使工程师能够将数亿个微型晶体管放在比指甲盖还小的硅片上。科学家们使用紫外线辐射将更小的组件“刻”到硅芯片上。目前,光刻工艺可以完成的最小组件约为30纳米(约150个原子)


利用光刻技术,科学家发明了第一种针对可见光的超材料:2006年底,德国科学家和美国能源部(DOE)的科学家宣布他们制造出了历史上首个可在红光下隐形的超材料。他们是如何把“不可能”变成可能的?美国能源部爱荷华州艾美实验室的物理学家科斯塔斯·苏库勒斯(Costas M. Soukoulis)、德国卡尔斯鲁厄大学的冈纳·道林(Gunnar Dolling)、马丁·瓦格纳(Martin Wegener)和德国卡尔斯鲁厄研究所的史蒂芬妮·林登(Stefan Linden)合作。他们在一块玻璃片上涂上一层薄薄的银涂层,然后再是氟化镁和另一层银涂层,最后形成只有100纳米厚的氟化物“夹心三明治”。接下来,利用标准光刻技术在三明治中刻出大量宽100纳米的方形孔,形成和鱼网类似的网格图案;然后让波长为780纳米的红色光束穿过材料,测量得到其折射率为-0.6。(在此之前以前,超材料偏折的最小波长为1,400纳米,不在可见光谱内,属于红外线范围。)


物理学家预见了这种隐形技术的许多应用。苏库勒斯说,超材料“可能有一天会让我们开发出一种在可见光谱范围内起隐形作用的平面超透镜,这种透镜的分辨率比传统技术要更高,能够捕获比光的一个波长更小的细节。”这种“超透镜”的突破性应用将包括微观物体的拍摄,如活体细胞内部的拍摄。这种超透镜的清晰度无可比拟,有望使胎儿疾病的早期诊断成为可能。在理想情况下,人们不用使用笨拙的X射线晶体学就能够拍摄DNA分子的清晰照片。


到目前为止,苏库勒斯的团队只实现了红光折射。下一步是要创造一种能将物体周围的红光完全折射的超材料,完全实现物体在红光下的隐形。


隐形研究的另一个领域也让人们看到了希望:光晶体管。“光子晶体”技术的目标是创建一个用光不用电的芯片来处理信息。这需要使用纳米技术来光刻、模制晶片上的微小部件,使每个部件的折射率都发生变化。


和普通晶体管相比,光晶体管具有很多优点。例如,光子晶体的热损失更少。(高级硅芯片产生的热量都可以炒鸡蛋了。芯片必须持续冷却,但保持晶体冷却的成本非常高。)我们毫不意外地发现,光子晶体科学能够完美地用在超材料上,这两种技术都涉及到纳米规格上操纵光折射率的问题。



罗切斯特大学的博士生Joseph Choi,用四个凸透镜组成了一个可以隐藏特定位置物体的隐形透镜组。图源:罗切斯特大学


另外一个研究团队在2007年年中宣布,他们制造的超材料使用了完全不同的“等离子体光子学”技术。加州理工学院的物理学家亨利·莱泽克(Henri J. Lezec)、珍妮弗·戴恩(Jennifer A. Dionne)和哈里·阿特沃特(Harry A. Atwater)开发了一种超材料,这种材料对可见光光谱内隐形难度更大的蓝绿色区域折射率为负。光子晶体将光束困在晶体内部,等离子体利用的是与光束同速的电子(电子也像光子一样,是一种波)


等离子体光子学的目标是要将光的快速信息承载能力“挤压”成纳米级的空间。金属导电是因为电子松散地与金属原子结合在一起,它们可以在金属表面自由移动。家用电线中流动的电流只不过是松散结合的电子在电线的金属表面平稳流动而已。但在某些条件下,与金属表面碰撞的光束可能会在金属表面产生电子的波动,这被称为等离子体。等离子体的波动与原始光束振动一致。更重要的是,可以“挤压”等离子体,让它们仍然与原始光束同频(从而携带等量的信息),具有更短的波长。原则上来讲,可以将被挤压的波束填充到纳米线上。与光子晶体一样,等离子体光子学的最终目标是要制成用光电而非单独用电的计算机芯片。


加州理工学院利用两层银开发了一种超材料,在两层银之间有500纳米的硅-氮绝缘物质,由金、银涂层的纳米级棱镜阻断。棱镜被仅为50纳米的氮化硅分离开来,氮化硅是可以改变等离子体波方向的“波导”。激光通过超材料中刻出的两道狭缝进入、离开隐形装置。通过分析激光在穿过超材料时发生偏折的角度,我们可以验证光线是否以负折射率发生了偏折。

 

白线表示右侧光源发出的光线到达超材料隐形装置(蓝色环状物)的路径。蓝线表示隐形装置的超材料在需要隐形的物体(黄色圆圈)周围改变光线的路径;站在左边看的人并不知道光线从光源出发并没有直接到达左侧。右侧的观察者也不能检测到物体的存在,因为它不会反射光或投射阴影。图源:jacdepczyk.com; netcells.net


正是因为科学家对光晶体管充满了浓厚的兴趣,超材料的进展才会越来越快。隐形研究可以借助光子晶体和等离子体的研究。为了创造出更小、更快、温度更低的芯片替代硅芯片,这两个领域已经有上亿美元的巨大投入。更新、更好的超材料总有一天会“自立门户”。


每隔几个月,这一领域就会取得一些突破。一些物理学家预言:在不久的将来,实验室将发明出真正的“隐形斗篷”。这样的想法并不奇怪。科学家们信心满满,相信在未来几年,他们将开发出一种超材料,让物体在可见光的某种频率下完全隐形,这种隐形至少能在二维平面实现。只有改变微型纳米组件的常规排列方式,变得更加复杂,才能让光线平滑地绕着物体发生偏折。


下一个挑战不再仅仅局限于二维平面,而是要开发出可以在三维空间中让光偏折的超材料。制造平面硅晶片的光刻技术以臻完美,但开发三维超材料还需要更复杂的过程和技术。


在那之后,科学家还需要开发能偏折多种频率光的超材料。这可能是最艰巨的任务。迄今为止,科学家设计的微型植入组件只能让一种精确频率的光发生偏折。科学家可能必须开发出多层超材料,每层都能作用于一种特定频率的光,才能偏折多种频率的光。遗憾的是,科学家暂时还不清楚要如何解决这个问题。


隐形装置什么时候会走进市场,进入我们的生活?科幻迷们请耐心等待。不过,即便隐形装置真的进入了日常生活,第一代装置想必也非常笨重。哈里·波特的隐形斗篷是由薄而软的布料制成的,能让任何藏在披风里的人隐形。为了做到这一点,布料的折射率必须以非常复杂的方式不断变化。这是不现实的。第一件真正的隐形斗篷最可能是由超材料圆柱体制成的。这样的话,折射率就是固定的。更高级的版本才可能利用更加柔软的超材料让光线流向正确的路径。这样一来,穿斗篷的人才能享有一定程度上的行动自由。


别忘了,隐形斗篷还存在一个固有的缺陷:穿斗篷的人如果要睁眼看着斗篷外面,他就无法完全隐形了。想像一下哈里·波特整个身体都隐形了,只有眼睛还漂浮在半空中的场景。斗篷外的人能清晰地看到穿斗篷的人的眼睛。想要让他们完全看不见,哈里·波特必须紧闭双眼、整个人都罩在斗篷下面(在眼睛附近添加两个成小角度摆放的玻璃片也许能解决这个问题。玻璃片会分离撞击玻璃片的那一小部分光线,将该光线偏折到眼睛里。和斗篷碰撞的大部分光线仍然会绕过它,实现隐形;只有极少数量的光线会发生转移,让人看见)这重重困难令人生畏,但科学家和工程师仍然乐观地认为,不论能否与克林贡船媲美,人类都能在二三十年的时间里开发出现实生活中的隐形装置。不仅如此,还有很多其他的设想会被人类变成现实。到那一天,书本纸张会变成什么样?特殊材料会发展到什么水平?让我们拭目以待。



利维坦”(微信号liweitan2014),神经基础研究、脑科学、哲学……乱七八糟的什么都有。反清新,反心灵鸡汤,反一般二逼文艺,反基础,反本质。


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