科幻中的魔法探秘

陳鯤

隱身術(shù)的真面目

在電影《哈利·波特》中，小哈利收到一個(gè)披上便能隱身的隱形斗篷，這么厲害的斗篷我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中可以玩到嗎？答案是肯定的。其實(shí)隱身材料在生活中并不少見，我們甚至可以在家里制作隱身衣，實(shí)現(xiàn)隱身。在了解“隱身術(shù)”之前我們首先來了解一下我們是如何看到物體的。當(dāng)物體表面散射空間中的光進(jìn)入人眼，在視網(wǎng)膜上形成圖像時(shí)，我們便看見了物體，而“隱身術(shù)”與此息息相關(guān)。根據(jù)隱身原理，大致可將“隱身術(shù)”分為三種。

○ 葉蟲與樹葉極為相似的形態(tài)可以幫助其躲避鳥類的捕殺

第一種隱身方法是使物體散射的光與背景相同。在這種情況下，我們其實(shí)看到了物體，只是無法將物體與背景區(qū)別開。這種隱身現(xiàn)象大多發(fā)生在自然界，是生物進(jìn)行捕食與自我保護(hù)的重要方法。比如葉蟲，它的表面對(duì)光的散射與樹葉相同，使得它們?cè)谝欢褬淙~中很難被察覺，從而躲過外界的攻擊。另外，在實(shí)際作戰(zhàn)中，軍人也會(huì)通過與環(huán)境散射相同光的迷彩服來躲避敵人的偵察。這種“隱身術(shù)”一旦換了環(huán)境便會(huì)失效，但變色龍、章魚等生物卻例外，這是因?yàn)樗鼈兙哂羞m應(yīng)性的“隱身術(shù)”，可以根據(jù)背景環(huán)境調(diào)節(jié)自身對(duì)光的散射，從而實(shí)現(xiàn)多方位的隱身，但局限于當(dāng)前的技術(shù)手段，這種動(dòng)態(tài)適應(yīng)的“隱身術(shù)”尚未在軍事中實(shí)現(xiàn)。

延伸閱讀：變色龍和章魚的“七十二變”

○ 變色龍棲息在樹枝上

○ 章魚潛伏在海底

變色龍和章魚是如何實(shí)現(xiàn)“七十二變”的呢？原來，變色龍?bào)w表有兩層含有晶體的虹細(xì)胞，當(dāng)變色龍縮放皮膚時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的光子晶體間距也縮放，使得變色龍呈現(xiàn)出不同的顏色。而章魚可以利用肌肉伸縮體表的色素囊與反光蛋白，從而呈現(xiàn)不同的體表顏色以適應(yīng)環(huán)境。

第二種隱身方法是通過使物體發(fā)出的光完全被吸收或者讓散射光散射到其他地方而不進(jìn)入人眼或者探測(cè)器。我們平常所謂的隱形戰(zhàn)機(jī)就是通過這種方法實(shí)現(xiàn)隱身的。探測(cè)雷達(dá)向各個(gè)方向發(fā)射探測(cè)雷達(dá)波，如果空中存在一架戰(zhàn)機(jī)，則一部分散射波會(huì)返回探測(cè)器，從而發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)。如果改變戰(zhàn)機(jī)外形或者在戰(zhàn)機(jī)表面涂抹吸收光的材料，使散射波無法返回探測(cè)器，那么雷達(dá)便無法發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)，戰(zhàn)機(jī)就實(shí)現(xiàn)了隱身。

然而，一旦在戰(zhàn)機(jī)周圍放置多個(gè)探測(cè)雷達(dá)，甚至利用衛(wèi)星聯(lián)合探測(cè)時(shí)，隱形戰(zhàn)機(jī)便會(huì)由于散射波被其他探測(cè)器探測(cè)到或吸收了探測(cè)波，阻礙雷達(dá)間的信號(hào)傳遞而被探測(cè)到。這種情況下，隱形戰(zhàn)機(jī)就會(huì)隱身失敗。

延伸閱讀：可見光與微波

○ 電磁波譜

我們平常說的光，指的是人眼可以看見的可見光，而雷達(dá)波采用的是微波，它們都是電磁波的一種，與其他電磁波均遵循相同的物理規(guī)則。

第三種隱身方法是讓探測(cè)光繞過需要隱身的物體實(shí)現(xiàn)隱身。2006年，美國科學(xué)家利用超材料實(shí)現(xiàn)了微波頻段的隱身，然而這一方法對(duì)材料的電磁參數(shù)要求非常嚴(yán)格，技術(shù)還有待提高。2016年，中國科學(xué)家利用金屬與塑料復(fù)合構(gòu)造新型人工電磁材料，這種材料的等效電磁參數(shù)與空氣完全相同，因此無法發(fā)生任何散射，可以視為自隱身材料。這種材料相當(dāng)于特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的人造空氣，對(duì)于特定波長(zhǎng)范圍可以實(shí)現(xiàn)全方位隱身，但要求整個(gè)物體必須全部由這種材料構(gòu)成，不能摻雜其他物質(zhì)。這種自隱身材料可以用在電梯、墻壁等地方。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷提高，未來，這種材料在軍用、民用方面的應(yīng)用潛力巨大。

○ 散射波無法返回雷達(dá)探測(cè)器，戰(zhàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)隱身

此外，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的視頻處理能力，Wow Stuff公司通過在手機(jī)軟件里內(nèi)置綠色摳圖，再貼上背景的方式，在手機(jī)里完美還原了電影中的隱身效果。國內(nèi)一些聲稱做出隱身衣特效的，一般也是采用這種方式。感興趣的朋友不妨利用這種方法，自己找一塊綠布，體驗(yàn)一下如何隱身。

動(dòng)手做

下圖是一種在家里就可以做的隱身裝置，4面鏡子如圖放置，盡可能做到相鄰的垂直，不相鄰的平行，鏡面相對(duì)。光線通過鏡子時(shí)，經(jīng)過4次反射繞開了三角區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了三角區(qū)域的隱身。

○ 超材料隱身仿真：電磁波可以經(jīng)過這種超材料裝置并繞開中心區(qū)域，盡管波形上有所波動(dòng)，但仍然較為完整

超光速可以實(shí)現(xiàn)嗎？

在很多科幻電影中，超光速司空見慣，而在已知的科學(xué)界中，嚴(yán)格的超光速是不可能發(fā)生的。自麥克斯韋發(fā)現(xiàn)、赫茲證實(shí)光與電磁波具有相同的、不變的光速開始，光速不變成為現(xiàn)代科學(xué)的基石。盡管絕大多數(shù)人相信實(shí)物粒子與信息無法超光速，但仍有人孜孜不倦地尋找超越光速的粒子。2012年，歐洲科學(xué)家聲稱發(fā)現(xiàn)了超越光速的粒子，但之后被證實(shí)是實(shí)驗(yàn)誤差。

事實(shí)上，無法超越光速是由因果律保證的。最常見的、人們誤以為是超光速的主要有2種：一種是宇宙膨脹速度超光速，而相對(duì)論要求的是實(shí)物粒子與信息無法超光速，這并不矛盾，空間膨脹速度是可以超光速的，這同時(shí)也表明有很大一部分宇宙我們永遠(yuǎn)無法觀測(cè)到。

○ 隱身裝置和隱身原理示意圖

另一種則是量子糾纏。在討論量子糾纏前，我們先認(rèn)識(shí)一下量子理論的一個(gè)基本假設(shè)——波函數(shù)假設(shè)——即粒子在被觀測(cè)前是不確定的，一旦我們對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，波函數(shù)便會(huì)塌縮成具體的狀態(tài)。就好像我們擲骰子前，骰子的點(diǎn)數(shù)是未知的，一旦我們擲下骰子，骰子便會(huì)呈現(xiàn)出具體的點(diǎn)數(shù)。

○ 通過將摳圖算法寫入App，可以在手機(jī)里實(shí)現(xiàn)隱身（綠布摳圖是最常用的影視特效手段，由于人體不是綠色，以綠布為背景可以幫助計(jì)算機(jī)快速將背景摳除，換為相應(yīng)的視覺特效）

○ 量子隱形傳態(tài)示意圖

量子糾纏是指兩個(gè)粒子存在量子關(guān)聯(lián)，無論我們把兩個(gè)粒子放在多遠(yuǎn)的位置，一旦我們測(cè)量其中一個(gè)粒子狀態(tài)，另一個(gè)粒子狀態(tài)便會(huì)確定下來。有好事者稱之為超光速。的確，這種糾纏作用是瞬發(fā)的，但也不能稱之為超光速。就好比我們一出生，爸爸便具備了父親的身份。即使相隔萬里，這種身份變化也是瞬發(fā)的。量子糾纏的一個(gè)典型應(yīng)用是量子隱形傳態(tài)。量子隱形傳態(tài)是指利用兩個(gè)粒子A和B之間的糾纏作用，假設(shè)C、A處于一處，B處于另一處，則C的量子態(tài)一部分通過AB糾纏傳到B，另一部分則通過經(jīng)典通道傳到B，由于必須經(jīng)過經(jīng)典通道，因此無法超光速。經(jīng)典通道的載體可以是光、聲、引力等。量子隱形傳態(tài)是量子通信中簡(jiǎn)單的一種，研究隱形傳態(tài)是實(shí)現(xiàn)全球化量子通信的前提。