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隐身技巧真的快完成了吗?
页面更新时间:2017-10-25 19:15

隐身技术真的快完成了吗?

原题目:隐身技术真的快完成了吗?

利维坦按:做作界中有两种我们也许听过的变色植物——章鱼和变色龙。前者经过感光细胞调理体内色素到达变色,后者经过表面的纳米晶体结构折射光线。

2012年12月初,加拿大Hyperstealth Biotechnology科技公司声称控制了一种“量子隐形(Quantum Stealth)”,并宣称该技巧失掉了美国与加拿大两国军方的支撑。下图为官方产品展现照片:

这是一家成破于1999年的科技公司,重要产物是军用迷彩服装,至今曾经为约旦、智利、阿联酋等地出产了大批的迷彩服。但对前文说起的“隐形衣”,官方只给出了大批看上去不置可否的照片。曾有记者就此事给五角年夜楼发去征询,但并未失掉回应。绝对靠谱的是下文中提到的多少个冲破,固然离“隐形衣”还很悠远,但至多能让人看到了将来的可能。

文/Michio Kaku

译/杨睿

校订/石炜

在《星际迷航4:挽救未来》中,进取号的船员成功劫持了一艘克林贡战役巡洋舰。如果你不是《星球迷航》的铁粉,不太明白这件事象征着什么,请听我娓娓道来:星际联邦是人类与浩繁喜好战争的外星种族一同组建的战争联盟,而克林贡是一个好战的外星种族,站在星际同盟的友好面。克林贡船上有一种机密的“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轻易全身而退。知道了这些之后,你就该清楚朝上进步号成功劫持一艘克林贡船是如许伟大的创举!

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?从良久以前开始,隐形始终是科幻小说和空想世界的奇迹之一。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,许多作品中都出现了隐身的元素。但是,物理学家却坚定认为隐形是不可能完成的,他们声称隐形违背了光学法则,不合乎已知的物质特征。

但明天,不可能成为了可能。“超材料”(metamaterials,又被称为左手材料)取得了新停顿,这种天然材料可以在某种意思上节制光的移动,它的诞生让光学教科书不得不停止严重的订正。这类材料的原型曾经在实验室中成为现实,惹起了媒体、产业和军方的浓厚兴趣,他们急切地想要晓得可见物若何能够隐形。

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)取得的成绩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创造;两个世纪后,剑桥又见证了麦克斯韦的造诣。麦克斯韦是一名数学物理系的先生,成就无比出众。微积分是牛顿的发明,利用微分方程来描述物体在时空中活动的方式。麦克斯韦在数学东西的辅助下开始摸索电磁学的实质。

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”(文科的你还记得右手螺旋定章吗?)。麦克斯韦用精确的微积分言语重写了法拉第的场概念,失掉了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(任何一个想要把握电磁学物理学家和工程师,都必须翻过这座大山)。

接上去,麦克斯韦问了本人一个主要的成绩:变更的磁场会发生电场,反过去也如此,那假如这些场永不连续地彼此改变,会发生什么呢?麦克斯韦发明,电磁场在空间中稳定的方式很像是海上的海浪。他盘算了波的速度,惊奇地发现它即是光速!1864年发现这一现实后,他写下了这样一句预言式的话:“波的速度如斯濒临光速,咱们仿佛有充足的来由得出如许的论断:光本身......就是一种电磁烦扰。”

这可能是人类汗青上最巨大的发现之一。人类第一次揭开了光的奥秘面纱。麦克斯韦忽然认识到,日出的壮不雅、旭日的余晖、彩虹的颜色斑斓和穹苍中的星星都可以用波来解释。明天我们才认识到,无线电波,包含播送频率和雷达、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线,全部电磁波谱都能用麦克斯韦光的波动理论来描写。

麦克斯韦的光学实践和“一切事物由原子构成”的观念为光学景象提供了简略的说明,为隐形奠基了基本。举例来讲,大少数固体都不透光,由于光线以波的情势传播,无奈经过固体中致密的原子结构。比拟之下,许多液体和睦体是通明的,是因为可见光的波长可以更容易地经过陈列疏松的原子之间较大的缝隙。钻石和其他晶体是一个破例:它们既是固体,又是通明的。这是因为晶体的原子虽然包裹得很紧,但它们陈列成准确的格状结构,为光束经过供给了很多通道。

依据麦克斯韦方程组,隐形这种性质必须发生在原子层面。即便隐构成为可能,要借助普通手段反复完成隐形后果也长短常难题的。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,一切这所有都是很难完成的。

光线从真空(左上角)进入原子结构更密集的通明介质中,光的速度减慢,标的目的改变:光的传播路径改变,或酿成折射。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,在空气中传播时简直不发生偏折。在天然介质中,光的偏折毫不会发生在图中设想线(虚线)的左侧。要做到这一点,介质必需存在所谓的负折射率。当初,这一阻碍曾经被称为超材料的特殊天然材料攻破了。光的大幅偏折不再只是夸夸其谈。图源:jacdepczyk.com; netcells.net

当然,除了改变或人或某物的原子构造之外,还有其余的光学手腕。目前,隐形研讨的中心是把持“折射率”。把手放进水中,或是透过眼镜镜片看货色,你会留神到水和玻璃改变、曲折了一般光的路径,这就是折射。光芒进入致密的通明介质时,速度减慢。但在真空中,光速一直坚持不变。给定材料的折射率=光速÷介质内较慢的光速,必赢亚洲线上娱乐。因为光速÷,必赢亚洲线上娱乐;光速自身=1,因而自然材料的折射率老是大于1(天然介质内光的流传速度<光速),必赢亚洲线上娱乐。某种材料的折射率凡是是一个常量:光进入给定物资(如玻璃)时,以特定的角度发生偏折,持续沿直线传播。

伦敦大学皇后玛丽学院的教学Yang Hao引导团队完成了一个用于“隐形”的金属板,板面笼罩有7个折射率成梯度陈列的超薄覆膜,用以折射电磁波来隐蔽物件。图源:cnn

然而,如果我们可以随便把持折射率,比方说,让玻璃中光的传播以点到点的方式一直发生变化,成果会怎么?如果一束光可以像蛇一样在组成物体的原子周围匍匐,创造自己的路径,沿光线进入的统一条直线分开材料,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。从前几十年来,一切光学教科书都说这种负折射率的介质是不可能存在的。但是,到2006年,位于北卡罗来纳州达勒姆的杜克大学普拉奸细程学院和伦敦帝国理工学院的研究职员胜利挑衅了传统的认知,经过应用超材料操纵折射,完成了物体在微波辐射下的“隐形”。

科学家们设计了一种超材料,这种物质拥有天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)表现,超材料“将彻底改变我们看待光学和电学几乎所无方面的方式......(它们)可以完成几十年前还被看作奇观的豪举”。

杜克大学工程师制作的这种超材料依附于渺小的植入组件,这些植入组件迫使电磁波以特别的方式产生偏折。微型电路嵌入到与电炉线圈类似的齐心圆铜圈里,如下图所示。这些植入组件是陶瓷、聚四氟乙烯、纤维复合材料跟金属制成的混杂物,能够在装备四处以特定的方法领导微波辐射转变传布门路。植入组件外部的小铜圆柱体不克不及被微波辐射检测到。但它确切投下了一片极小的阴影。真正的隐形须要打消一切反射和暗影。

要懂得辐射在超材料设备周围发生偏折的情况,可以设想一下河道绕过石头的方式。水敏捷绕过石头,石头是看不见的。异样,超材料可以持续改变、偏折波的传播路径,使它们绕着圆柱体活动,基础上可以使圆柱体内的一切东西在微波下不可见。

杜克大学工程师开辟的隐形设备:这种设备利用超材料在微波频率下完成了隐形。每个部件高1cm,全体约十英寸(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,电磁波缭绕隐形装置活动,完成了装置和被放置在装置核心的物体的“隐形”。图源:杜克大学

通常来讲,植入这种超材料内的外部结构必须小于需要从新定向的波长。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纳米的绿光下不成见,嵌入超材猜中的植入组件长度就必须仅为50纳米摆布。(一纳米等于十亿分之一米,大概能包容五个原子。)树立这样的原子级结构需要十分进步的纳米技术,是古代工程面临的局限。排除这些局限可能是工程师制造真正的隐形设备时面对的要害成绩。

计算机芯片行业曾经开端使用纳米技术,在更小的范围上完成更好的机能。实验室发布制成超材料之后,这一领域的运动非常活泼,每隔几个月就会呈现新的看法和惊人的突破。科学家的目标是要开收回可以令可见光发生偏折的超材料。微波隐形只是个开始。

半导体行业的开展促进了新型超材料的出生。“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。迷信家们使用紫外线辐射将更小的组件“刻”到硅芯片上。目前,光刻工艺可以实现的最小组件约为30纳米(约150个原子)。

利用光刻技术,科学家发了然第一种针对可见光的超材料:2006年末,德国科学家和美国动力部(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?美国动力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)配合。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,最后造成只要100纳米厚的氟化物“夹心三明治”。接上去,利用尺度光刻技术在三明治中刻出大量宽100纳米的方形孔,形成和鱼网相似的网格图案;而后让波长为780纳米的白色光束穿过材料,丈量失掉其折射率为-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,属于红外线规模。)

物理学家预感了这种隐形技术的许多运用。苏库勒斯说,超材料“可能有一天会让我们开收回一种在可见光谱范畴内起隐形感化的立体超透镜,这种透镜的辨别率比传统技术要更高,可以捕捉比光的一个波长更小的细节。”这种“超透镜”的打破性利用将包括微观物体的拍摄,如活体细胞外部的拍摄。这种超透镜的清晰度无与伦比,无望使胎儿疾病的晚期诊断成为可能。在幻想情形下,人们不必应用愚笨的X射线晶体学就可能拍摄DNA分子的清楚照片。

到今朝为止,苏库勒斯的团队只完成了红光折射。下一步是要发明一种能将物体四周的红光完整折射的超资料,完全完成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盼望:光晶体管。“光子晶体”技术的目的是创立一个用光不用电的芯片来处置信息。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,光晶体管具有很多长处。例如,光子晶体的热丧失更少。(高级硅芯片产生的热量都可以炒鸡蛋了。芯片必须连续冷却,但保持晶体冷却的本钱非常高。)我们绝不意本地发现,光子晶体科学能够完美地用在超材料上,这两种技术都波及到纳米规格上操纵光折射率的成绩。

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暗藏特定地位物体的隐形透镜组。图源:罗切斯特大学

别的一个研究团队在2007年年中宣告,他们制造的超材料使用了完全分歧的“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外部,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疾速信息承载才能“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联合在一同,它们可以在金属表面自在挪动。家用电线中活动的电流只不外是松散结合的电子在电线的金属表面安稳活动罢了。但在某些前提下,与金属名义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分歧。更重要的是,可以“挤压”等离子体,让它们依然与原始光束同频(从而携带等量的信息),具备更短的波长。准则下去讲,可以将被挤压的波束填充到纳米线上。与光子晶体一样,等离子体光子学的终极目标是要制成用光电而非独自用电的计算机芯片。

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”。激光经过超材料中刻出的两道狭缝进入、离开隐形装置。经过剖析激光在穿过超材料时发生偏折的角度,我们可以验证光线能否以负折射率发生了偏折。

白线表示右侧光源收回的光线达到超材料隐形装置(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;站在右边看的人并不知道光线从光源动身并不直接到达左侧。右侧的察看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

恰是因为科学家对光晶体管充斥了浓重的兴致,超材料的停顿才会越来越快。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、温度更低的芯片替换硅芯片,这两个领域曾经有上亿美元的宏大投入。更新、更好的超材料总有一天会“自立门户”。

每隔几个月,这一范畴就会获得一些突破。一些物理学家预言:在未几的未来,试验室将发现出真正的“隐形大氅”。这样的主意并不奇异。科学家们信念满满,信任在未来几年,他们将开收回一种超材料,让物体在可见光的某种频率下完全隐形,这种隐形至多能在二维立体完成。只要改变微型纳米组件的惯例陈列方式,变得愈加庞杂,才干让光线光滑地绕着物体发生偏折。

下一个挑战不再仅仅局限于二维立体,而是要开收回可以在三维空间中让光偏折的超材料。制造立体硅晶片的光刻技术以臻完善,但开发三维超材料还需要更复杂的进程和技术。

在那之后,科学家还需要开发能偏折多种频率光的超材料。这可能是最艰难的义务。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。科学家可能必须开收回多层超材料,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,科学家临时还不清晰要如何处理这个成绩。

隐形装置什么时分会走进市场,进入我们的生活?科幻迷们请耐烦等候。不过,即使隐形装置真的进入了日常生涯,第一代安装想必也非常粗笨。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异常复杂的方式不断变化。这是不事实的。第一件真正的隐形斗篷最可能是由超材料圆柱体系成的。这样的话,折射率就是固定的。更高等的版本才可能利用愈加柔嫩的超材料让光线流向准确的路径。这样一来,穿斗篷的人能力享有必定水平上的举动自由。

别忘了,隐形斗篷还存在一个固有的缺点:穿斗篷的人如果要睁眼看着斗篷里面,他就无法完全隐形了。想像一下哈里·波特整个身材都隐形了,只要眼睛还沉没在半空中的场景。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、整团体都罩在斗篷上面(在眼睛邻近增加两个成小角度摆放的玻璃片兴许能处理这个成绩。玻璃片会分别撞击玻璃片的那一小局部光线,将该光线偏折到眼睛里。和斗篷碰撞的大部门光线仍旧会绕过它,完成隐形;只要少少数目的光线会发生转移,让人看见)。这重重艰苦令人生畏,但科学家和工程师仍旧悲观地以为,不管是否与克林贡船媲美,人类都能在二三十年的时光里开发涌现实生活中的隐形装置。不只如此,还有良多其他的假想会被人类变成现实。到那一天,书本纸张会变成什么样?特殊材料会开展到什么程度?让我们刮目相待。