讓光拐個彎

寇曉明

在“80后”小時候，有兩個光學玩具很有名，一個是萬花筒，一個是潛望鏡，玩的都是光的反射。潛望鏡比較簡單，就是用兩塊平面鏡讓光線轉個彎，射向人的眼睛，潛水艇、坑道和坦克上都用到了它。

不過，讓光線掉頭容易，讓它像汽車一樣沿弧線拐彎可不容易。我們都知道，光在真空中是沒有折射的，只有在不同的介質中傳播時，才會有折射和反射現(xiàn)象。不同介質對光線的折射率是不一樣的。

介質的折射率是由材料的磁導率和介電常數(shù)決定的，當光從一種介質進入另一種介質時，會因為折射率不同而改變方向。以海市蜃樓為例，在沙漠地區(qū)，當氣溫很高時，熱空氣快速上升，造成近地面的空氣密度低于高空中空氣密度的反?，F(xiàn)象。低密度的空氣光折射率必然比高密度的空氣低。遠方高處的物體反射的光，從上層較密的空氣進入下層較疏空氣時被不斷折射，使得光線變成弧線進入人的眼睛，人眼卻默認光線都是直的，所以便發(fā)生了誤判。藍天反射來的光，常讓人以為是湖泊。

約翰·彭德里教授的隱身理論便是用一種裝置改變光線穿透介質的折射率，使光線繞過被隱藏的物體，那么人眼就沒法看到被隱藏的物體了。打個比方，在一條繁忙的公路中間有一個障礙物，車流全部繞過障礙物，然后回到原來的行駛軌跡上繼續(xù)前進。如果一個人坐在車里逆著車流向后看，他是看不到障礙物的。

道理聽起來簡單，可要實現(xiàn)它絕非易事。首先得計算出使光線繞過被隱藏物體所需的材料折射率變化，其次需要找到滿足理論要求的實際材料。提出這種原理的科學家用基于光學保角變換的一系列數(shù)學物理方法來確定“隱身衣”所需的材料折射率分布，即磁導率和介電常數(shù)的空間分布。換句話說，隱身裝置的折射率是在不同的位置連續(xù)變化的。

可是自然界的材料大多只有均勻單一的折射率，滿足上述折射率分布的材料在自然界很難找到，只有依靠人工超材料來實現(xiàn)。得益于21世紀初人工負折射率超材料的發(fā)展，科學家能夠相對容易地設計和制作具有特定磁導率和介電常數(shù)分布的人工陣列，例如由開口諧振環(huán)組成的人工陣列具有可調(diào)節(jié)的甚至是負的磁導率。2006年杜克大學史密斯教授的研究組利用這一原理制作出了第一個能對微波頻率隱身的裝置。這個裝置大約1厘米高，直徑有大約12厘米，研究人員在它的中心放置了一個直徑5厘米的小銅柱，它成功地使照射在其上的微波繞道而行，從而實現(xiàn)了其自身和掩藏在其中的小銅柱在微波頻段的隱身。這項成功的實驗也反映出了科學家面臨的挑戰(zhàn)，例如如何增加工作頻段的寬度從而使更多頻率的微波轉彎，尤其是如何實現(xiàn)可見光的彎曲（微波和可見光都是電磁波波譜的一部分）。這種隱身裝置工作的前提條件之一是尺寸必須要接近于工作波段的電磁波波長，而可見光的波長在390納米至700納米，如此小的尺寸使隱身裝置的開發(fā)面臨很大的困難。而且，復雜且昂貴的人工超材料并不是一個經(jīng)濟方便的選擇。

浙江大學的科學家采用的是一種相對簡單的線性均勻坐標變換來進行計算，從而降低了對介質折射率的苛刻要求，用廣泛使用的光學玻璃實現(xiàn)了光線轉彎，無須人工超材料，而且隱身裝置的尺寸也不再受光線波長的限制。這樣，人類尺寸的光學隱身就可以成為現(xiàn)實了。

最近，得克薩斯州立大學奧斯汀分校的科學家利用不同的原理開發(fā)出一種很薄的隱身屏障。這個裝置可以在微波波段把一個1厘米長的圓柱體隱藏起來。這種隱身衣基于波的疊加原理：當兩束頻率相同、相位也相同的波相遇時，它們會疊加增強；如果它們的相位正好相反，兩束波會相互抵消?？茖W家正是利用了后者。照射在隱身屏障和被隱藏物體上的微波都會有一部分被反射回來，通過對隱身屏障的特殊設計，使得兩束反射回來的微波正好互相抵消，就如同不存在一樣。當兩束相位相反的反射波相互抵消后，微波接收裝置便“看”不到隱身屏障和被隱藏的物體了。與前面提到的讓波繞道走的辦法相比，這種新方法更加實際，因為這種隱身屏障很薄，而且更容易制造。很多人很樂意將這個裝置同哈里·波特的隱身斗篷聯(lián)系起來，對隱身衣的發(fā)展持樂觀態(tài)度。這個原理也適用于可見光波段。不過，由于這種方法也要求被隱藏物體的尺寸接近于電磁波的波長，而可見光的波長在500納米左右，所以，在可見光波段，它只能隱藏小于1微米的物體——這么小的東西，就算不穿隱身衣，我們也看不見啊！

讓光線繞道走的方法可以讓人隱身，但被隱身的人也接收不到可見光，所以，在把自己藏起來的同時，也等于把自己戳瞎了！

或許我們可以借鑒孫悟空的隱身方式，他把自己變成了一只飛蟲，既能將自己隱身，又留有一點空間接收外界可見光。神話是美好的，很多神話中的東西到今天都已經(jīng)成為現(xiàn)實，比如千里眼和順風耳。沒準將來有一天，這件在東西方神話里都出現(xiàn)過的隱身衣也會成為現(xiàn)實。