在未来,隐身或许不再是一种超能力?

中科院格致论道讲坛

发布时间: 06-0110:55百家号2020影响力创作者,中国科学院计算机网络信息中心

韩国的隐身大厦利用电子显示屏,使一幢摩天大厦能够“消失”在城市的正中央。自然界中的章鱼表皮有成千上万的小色素块,借助它的软体组织能够隐藏于他生存的环境。同时,利用光线绕行的原理,我们还可以做到在可见光和红外光的情况下都实现隐身效果。想要追求完美的隐身术,需要我们充分考虑光的波动性。我们能否让一架飞机完美隐身?应该怎么做?隐身在生活中有哪些应用?

出品:格致论道讲坛

以下内容为中国科学院物理所研究员北京凝聚态物理国家实验室研究员陆凌演讲实录:

大家好,我是陆凌,非常荣幸能和大家交流,今天我带来的分享是隐身其实是一门技术活。

从古至今,隐身一直是人类追求的梦想。早在秦汉时期,中国就有隐身术的记载。当时的道家方士们研究过隐身,但现在看来,那些方法都是有点可笑的。

例如,古代有一个隐身的方法,叫做一叶障目。如果你找到了螳螂捕蝉时用来伪装的那片叶子,把它攥在手心,放在眼前,周围的人就看不到你了。

古代有一个书生听信了一叶障目的方法,他立刻跑到集市上去拿东西。结果可想而知,于是就留下了一叶障目的笑话。

但是,中国古代的很多哲学思想确实与隐身的思路不谋而合,首先就是天人合一,即人和自然、环境的完美融合。

如果你仔细观察下图,你可能会发现在画面的中央有一个行为艺术家。他做上人体彩绘,巧妙地和周围的城墙、山景融合到了一起,我们很难发现他的存在。

几年前,四川某派出所接到报警电话,家长说家中的两个小孙子不见了,找了大半天也找不到。最后在山脚下的一个泥池塘里,民警发现了玩得正欢的他们。他们身上裹着泥浆和泥土,与周围山景完全融为一体,所以怎么找也找不到。

以上的两种隐身方式都不太干净,回家后还要洗澡。有没有不用洗澡的隐身术呢?

小隐隐于山,大隐隐于市

下图这位先生很聪明,他巧妙地将平板电脑拍到的天空图片展示在屏幕上,用平板电脑挡住自己的脸。我们从正面看,后面的天空景象依然完整,就不会注意到屏幕背后有他的脸。

平板电脑的显示屏面积是有限的,所以他能隐身的区域也是有限的。我们暂且称他为小隐,怎样才能大隐呢?

中国古人云:小隐隐于山,大隐隐于市。前些年,韩国建造了一幢摩天大厦,被称为隐身大厦。大厦隐身的原理和上述例子类似,用非常多的电子显示屏铺满整个大厦的外墙,屏幕显示大厦背后360度的景象,一幢摩天大厦就在城市的正中央消失了。

该幢大厦的建造成本非常高,而且电子显示屏也非常耗电。不为人知的是,其实大自然中隐藏着更高超的隐身技术。

大自然的隐身术

下面这段视频是在海底拍摄的。画面的正中央是一个珊瑚,有一条小鱼游了过来,似乎什么都没有发生。

如果我们靠得更近,会发现有一只白色的章鱼,它受到了摄影机的惊吓,吐了一口墨汁后就游走了。当它张开躯体时,我们会发现它的颜色和图案可以瞬间变化,是不是非常神秘?

在视频的第二部分,有一个慢动作倒播的画面。软体章鱼可以在三维立体层次的各个方面变换形态、表皮的颜色和图案,甚至是表面的一些微小结构,以至于我们无法分辨它和它生存的环境。

章鱼为何会有隐身术呢?奥秘就在它的表皮结构中。

章鱼表皮有成千上万的小色素块,有黑色、棕色、白色、青色和黄色。它的奥秘是软体组织,可以瞬间张开或者缩小这些小色素块,以至于在某个时候会呈现出白色的底色,或者是棕色的表面颜色。

章鱼还有很多其他的结构和颜色的变化能力。它背后的物理原理是什么?章鱼的表皮分为很多层,每一层都有不同颜色的色素块。每一个色素块都与周围的肌肉组织紧密相连,它可以瞬间拉伸或者缩小这些颜色,变化前、后的面积差别可以达到一百倍。

在不久的未来,借助章鱼的“隐身术”,像电子皮肤、电子衣服的隐身科技或者产品可能会出现。

其实不止是章鱼,所有的软体动物门的头足动物,例如鱿鱼、乌贼,它们都有类似的变换能力。但是,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。我们可以看到它,只是无法分辨它和它所在的环境。

光线绕行的隐身原理

我们可以用中国古人的思想来阐述更高级的隐身术。

老子用“上善若水”表达对水的敬意和赞美。水从它的源头慢慢流出,岩石、峭壁的存在使它一路上经过了千难万险,但是它可以非常平静地绕过障碍物来到你的面前。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,让原本直线传播的光线达到绕行后继续前行的效果。这听起来非常梦幻,但是它并没有想象中那么难做到。

下图的演示实验,是在罗切斯特大学拍摄的。在画面的正中央,有一个大男孩靠着墙站着。其实他的弟弟就站在他前面,但大家最初看不到。

两个人的位置互换后,大家就看不到大男孩的腿了,但是可以看到他的弟弟蹲在后面。这是为什么呢?因为小男孩的面前放置了两面镜子,边上还有另外两面镜子来辅助隐身实验。

隐身实验的原理如下图所示。熊猫所处的位置是可以隐身的,蓝色的几根线代表四面镜子,它们两两互相成直角并排放着,红色是光行进的路线。

当观察者在屏下方时,光经过四次反射,绕过了熊猫所在的区域,但你依然能够看到熊猫背后的景象。

每个人都可以做这个隐身实验,取四面镜子按照位置放置,躲在熊猫所处的地方,大家就看不见你,但能看见你身后的区域。

如果将四面镜子扩展到八面,相当于在屏幕的上下方做了镜像,熊猫所处的空间已被完全孤立,我们无法看到这个空间。但是这个实验要求观察者必须在图片的左右方,只能在这两个方向达到隐身效果。如何才能在所有的方向达到隐身呢?

我在浙江大学的合作者,陈红胜教授有一个更巧妙的设计,将六块玻璃组成六角形的柱状结构。从光线行进的演示中可以看到,中间的区域是隐身的。

下面这段实验是在鱼缸的侧面拍摄的。小鱼露出了半个脑袋,但我们依然看不见它的身体,而后面的水草却清晰可见。

它是一条活生生的鱼,身体表面的颜色非常鲜艳。但是,在一个白色布景、光照充分的情况下,我们却看不到它。

把这个六角形的隐身装置放在鱼缸中间,当小鱼游进柱状体时,在鱼缸一侧的观察者只能看到背后的水草,而看不见这条小鱼。

如果用红外照相机来拍摄黑暗中的人,依然可以看到图像。因为人是发热的,红外相机可以捕捉到人不断发出的红外波段的电磁波。

在红外照相机拍摄六角形隐身装置时,我们能看到什么样的图像呢?下图中有一只小老鼠,它的体温是热的。但是,当它一半的身体坐进隐身结构时,我们完全看不到它。

所以即使是夜视镜,我们也无法看到隐身区域的物体或者人。这个隐身结构非常好,它能够做到在可见光和红外光的情况下都达到隐身效果。

但是,它依然存在缺点,只能在六个方向达到隐身效果。如果观察的角度偏折五度或者十度,就无法达到隐身效果。

更加完美的隐身需要做到各向同性的效果。只有柱状体、圆形的结构,才能达到中间区域和外界在光学上完全隔绝,观察者在任何角度都不会发现物体。

但是,完美隐身的要求对科学家的挑战非常大。在原理上,我们必须摒弃刚才所说的,只用直线来描述几何光学概念。

追求完美的隐身术

我们需要充分考虑光的波动性。在微观层面,光线都是电磁波,即电场在时间和空间上一个周期的运动。

下图是理论仿真动画,其中红色和蓝色的条纹表示电磁波的波峰和波谷。一束波从左边传来,从右边出去,但它完全侦查不到中间的隐身区域,达到了完美的隐身效果。

该案例看上去似乎是完美的,各个角度都能隐身,但完美是需要付出代价的。

第一是它只能对固定波长达到隐身的效果。如果我们将红蓝间的间隔波长变大或者变小,它无法从左到右完美地透射,也无法把周边匹配得这么好。

第二是它依然存在绕行隐身术的通病,隐身是相对的。在隐身区域中的人不能被外面的观察者看到,同时他看不见外面的图像。

第三点涉及到实际应用。例如,运用以上的隐身原理来使飞机隐身是几乎不可能的,我们需要造一座足球场放在飞机的周围,才能让它做到隐身。

怎样才能让一架飞机完美隐身呢?或者说目前最好的科学技术,能做出什么样的隐形飞机呢?

我们需要了解所谓的隐形飞机的隐形基本原理。首先是在微波阶段探测飞机。微波是微波炉或者手机这样的信号,用的是雷达,它侦查的原理是从不同的方向往空间发出电磁波。

如果飞来一架民航飞机,一定会有部分的电磁波按原路反射,会被雷达探测到。我们就会知道在多高的高空,有一架飞机正在以多快的速度飞行。

如果敌方来了一架侦察机,它是一架隐形的飞机。外表形状和涂层都经过严密的设计,它的反射波绝对不会沿着原路返回,反而会被吸收掉一部分,反射波也往其他的方向去了。

所以,对于这一个雷达来说,侦察机确实是隐形了。如果在四面八方、天上地下都放上雷达,打造雷达网络协同工作,目前是没有技术能够让一架飞机真正在天空中消失的。

正是带着这样的想法,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,由隐身材料组成的结构可以是任意大小和形状。我们把它画成了一架飞机的形状,它也可以是坦克、或者一个建筑。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。

更难能可贵的是,它在实验上也非常容易实现。它所需要的材料只有铜和常见的塑料,其中细节的结构和连接方式都经过了非常仔细的设计。

在这个复合材料里,电磁波的传播速度和在空气中完全一样,无论是什么形状或大小,都不会对电磁波产生任何的干扰。相比于前面所提的光线绕行的思路,这个是完全敞开的设计。

隐身在生活中的应用

这样的隐身材料,不但在军事上会有很大的潜在应用前景,也与每个人的生活息息相关。

例如,路由器附近的上网速度非常快,但到其他房间、其他角落,

我们会发现网络信号很弱,上不了网。或者当你一边打电话一边走进电梯时,信号很可能会断。

因为建筑墙体或电梯的金属材料,并不是上述的隐身材料,都会强烈的散射、或者阻拦电磁波的传播。

如果用上述的复合材料做成建筑或者电梯,我们的生存空间不需要这么多的路由器和信号发射塔,就能拥有更有效、更节能的通讯

希望这一系列的介绍,大家能和我一样有信心——隐身在未来将不再是一种超能力。我的分享到此结束,谢谢大家!

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