全文共2222字,預計學習時長6分鐘
圖源:unsplash
雖然科幻小說中的技術常常令人不安,但作爲科學家,筆者還是蠻喜歡想象幾十年後未來世界的樣子的。宇宙飛船最令我興奮——幻想有一天我或我的子孫能夠離開地球,遠走高飛。
我也對地球上的科技應用感到好奇,比如那種看起來像魔法或是某種超自然的裝置。我們探索古代神話和現代漫畫中的神奇超能力,並尋找方法去實現。最近,筆者的研究主要集中在力場、傳心術以及隱身術,這些其實都有一個共同的主題。
在翻閱書籍和論文時,筆者意識到,科幻小說中這些神奇裝置的製造主要是出於軍事需要。所有這些研究的核心是戰爭觀念。力場保護人們免受炸彈和子彈襲擊,傳心術有助於竊取敵人的信息,隱形術可以將部隊隱藏在遍佈炮彈的國家戰場上。許多科幻技術的探索都源於人類與生俱來的暴力。
正是這一點困擾着我。我很清楚,戰爭真實地存在於我們所在世界。探索空間和物理的界限是爲了推進文明進步,讓人類更富有智慧,更加團結,在世界通往未來和平的道路上更富內涵。但這並不是科技發展的動力。相反,驅動科技發展的是恐懼以及人們對權力的關注。
戰爭導致許多人死亡,他們所剩下的只有靈魂——如果你相信人人都有靈魂的話。有了隱形技術,我們就更接近於自己的靈魂,能來去自如,不被世界所察覺,但仍然能夠干涉世界。
圖源:1933年電影《隱形人》
這種隱形術依賴於超材料,該物質經人們改造後,能與光發生不同的相互作用。將超材料植入物體中,這些超材料可以操控入射電磁(EM)輻射的路徑。
電磁輻射涵蓋範圍極廣,包括微波、可見光和伽馬射線等等。輻射與物體的相互作用取決於物體的構成。例如,光在空氣中的移動方式與在玻璃或水中的方式不同。這就是爲什麼我們看到光束進入水中時會發生折射的原因。
液體中的原子堆積更加緊密,而光必須與原子相互作用。光在不同介質中的彎折被稱爲“折射率”。科學家用通常的光速除以現在較慢的光傳播速度來測量折射率。爲了算出玻璃的折射率,我們用真空中的光速除以進入玻璃的光速,得出的折射率約爲1.5。介質密度越大,折射率越高。

超材料可以操控折射率,從而控制通過物體的光路。要使物體隱形,光路必須繞過物體。這樣就會產生負折射率,這在光學領域被認爲是一件無法實現的事情。也就是說,在能夠實現之前,大家都覺得這是不可能的。
該技術的一個主要缺點是,超材料的植入結構必須小於所要控制的輻射波長。微波波長約爲3釐米,那麼植入結構必須比這個還要小。可見光的波長很小,範圍從400納米到700納米。一個納米與爲5個原子的長度相近。製造隱形裝置的部分挑戰就在於操作尺度極其之小,但該工作已成功完成。
可見光波長(單位:納米)| 圖源:美國國家航空航天局(NASA)
除了可以操控微波的超材料,我們還有可以控制綠光和紅光的超材料。在操控紅光的情況下,研究人員採用了玻璃、銀和氟化鎂薄層。薄層上刻有100納米寬的方形孔,從而形成了一個蔓延的魚網圖案。當紅光照射到所得超材料上時,折射率爲-.6。
綠光超材料則略有不同,其依賴於等離子體光子學。該領域的目標是製造一種以光代替電的計算機芯片;與電相比,光的優勢在於可以顯著減少熱量損失。
澳大利亞國立大學(Australian National University)的超材料
我們擁有可以操控不同顏色的超材料,但要使物體真正隱形,我們需要製造一種能夠操縱所有波長的材料,讓物體完全不可見。這可能需要一種多層超材料,每層都能引導不同頻率的光。
不用說,這肯定是一項艱鉅的挑戰。但是,即使超材料可能永遠也不會被用來製作隱形斗篷,它們在醫學領域仍具有巨大潛力。超材料可以用來拍攝細胞內部或DNA分子的部分螺旋結構。
另一種隱形方法需要依靠一種不同的但類似遮蔽的技術,即全息圖。全息圖與視覺錯覺相關——記錄物體的光散射,然後利用這些信息用激光重現物體,就會產生一個逼真的三維複製品。
現在,設想一臺用來捕捉背景的先進全息相機。該背景具有景深和細節,無論從哪個角度看,觀衆都會被迷惑。全息背景將投射到人或物體面前,完全遮住他們的視線。如今,這種光學僞裝已經問世,但呈現形式還處於初級階段。目前的原型還無法令人信服,且缺乏深度。
電影《銀翼殺手2049》中的全息圖。從全息圖中製造隱形效果的困難包括以每秒30幀的速度錄製,然後存儲和處理數據。
因爲等離子體光子學、光子晶體(旨在製造一種使用光而不是電的晶體管)和隱形技術之間存在內在的聯繫,所以物理學家們相信,在未來幾十年內會有隱形斗篷這樣的東西產生。但它是否會像科幻小說裏的斗篷一樣天衣無縫,這還無從得知。
我們擁有利用材料的天賦,用它們讓生活更加方便舒適。問題在於,將技術更多地用於破壞還是創造:是會帶來戰爭,還是會創造一個遙遠的烏托邦。也許這兩個想法相互交織,也許我們現在還看不清這種聯繫。
編譯組:劉露敏、孫津
相關鏈接:
https://medium.com/predict/invisibility-or-the-strange-world-of-metamaterials-5c6f1fe80e5e
推薦文章閱讀
讀芯君愛你
相關文章