微信红包到底有没有挂:隐形术揭秘：来自主流科学界的不断探索

隐形术一直令很多人痴迷不已，从传奇神话到科幻小说，各种类型层出不穷。然而，作为一门“科学”，隐形术却长久以来被认为是魔术一类的“奇技淫巧”，并不受到主流学界待见。但依然有学者为此奋斗不已。

网易探索11月12日报道 隐形术一直令很多人痴迷不已，从传奇神话到科幻小说，各种类型层出不穷。然而，作为一门“科学”，隐形术却长久以来被认为是魔术一类的“奇技淫巧”，并不受到主流学界待见。但依然有学者为此奋斗不已。这篇来自科学新闻的封面报道，为你揭开隐形术科学之旅的漫漫征途。

图1：科学新闻新一期封面报道。

图2：隐形术能使光或其他电磁波绕过自己，就像在平缓河面上的一块石头，水会绕过它却不会激起哪怕一丁点的水波。在隐形竞赛中，科学家们借鉴了科幻小说。

物理学家乌尔夫·莱茵哈特（Ulf Leonhardt）最近很得意，他从英国皇家学会那里拿到了一笔新的经费，用来更进一步研究他的课题——使物体在平面上不可视。

图3：物理学家乌尔夫·莱茵哈特，他在隐形术研究上孜孜不倦

莱茵哈特出生于前东德，现在与圣安德鲁的苏格兰大学从事理论物理的研究。为了实现科幻小说中的久远梦想：隐形装置（cloaking devices），科学家们展开了世界范围内的竞赛，而莱茵哈特就是当中的领跑人之一。这些装置能使光或其他电磁波绕过自己，就像在平缓河面上的一块石头，水会绕过它却不会激起哪怕一丁点的水波。这种东西能像拳击手躲避拳头一样让光从旁掠过，所以是看不见的。

“隐形装置”是技术文献中的常用术语，还故意使人想起神话故事和通俗小说。暗示还包括《星际迷航》中Romulan人那样的技术。这种技术在旧的《星际迷航》 “Balance of Terror”一集中出现，当敌方的猛禽战斗舰“呼”的一下消失不见的时候，观众们都震惊了。另一个例子就是J.K.罗琳的小说《哈利波特》中哈利的隐身斗篷。追溯得更远一点，赫伯特·乔治·威尔斯的小说《隐身人》（还有同名电影和续集《隐身女》）中玩的也是同一个点子。J.R.R.托尔金也在他关于霍比特人的故事中赋予一个戒指类似的能力。其实这种故事也早在千年前出现——柏拉图的《理想国》中，牧羊人Gyges从地震产生的裂缝里找到的魔法戒指。

莱茵哈特今天在隐性领域备受推崇，但他的故事并没有一个使人振奋的开头。他早期失意后期得意的故事，很能说明这个领域为什么能如此快地成为进入科学的主流领域——他的故事也使一些专家也感到吃惊。

他说：“在隐形技术（cloaking）还不流行的时候我就已经开始从事这方面的工作了。”那大概是在10年前。和一些同事默默工作数年后，他写了一篇题为《Optical conformal mapping》的论文。摘要的第一句正中要害“一个隐形装置应该能使光线绕过一个物体，使这个物体看起来根本不在那里。”

2005年，他把论文寄去了《自然》，但被退回了。（《Nature》杂志，科学领域的顶级综合性期刊之一。今年是《Nature》的140周年纪念。）然后寄去《自然：物理学》（《自然》旗下的一个物理学期刊），但结果还是一样，根据莱茵哈特的回忆，编辑只花了2天时间就把他的文章打回来了。随后，他把文章又寄给《科学》（《Science》，和《Nature》同级的科学类综合性期刊）。等待了两周后，被拒绝的命运依旧。

2006 年初，他又试了一次。这次是《物理评论快报》（物理学领域最权威的期刊之一），还是没有获得通过。其中一名审稿人说，莱茵哈特用的数学工具太古典了（计算上用了麦克斯韦和牛顿关于光的方程，还有归功于科学巨人们的数学结构，比如费马、拉格朗日、欧拉、笛卡尔、欧几里得、开普勒、爱因斯坦和费曼），不够“新物理学”（注：由于量子物理的发展，以牛顿力学、关于电磁场的麦克斯韦方程组、爱因斯坦的相对论为代表的经典物理学受到一部分物理学家的厌恶，他们希望能够利用只属于量子物理学的方法来研究物理学，而不是经典物理套旧东西。）

但另一位审稿人的指摘则开阔了莱茵哈特的眼界：并不是只有他在做这方面的研究。那份评估书（通常会给莱茵哈特也发一份）指，这位审稿人在数个月前去出席了两次会议，“会上约翰·彭德利（John Pendry）讨论了他的小组在同一个问题上的努力，他们叫它隐形装置，或者引用哈利波特系列的隐身斗篷的典故，叫霍格华兹计划（Hogwarts project）。”评估书补充道，彭德利和他的同事们“恐怕已经为这东西申请专利了。”这位匿名的审稿人宣布：因此，这项工作并没有创新性，也没有发表在《物理评论快报》上面的价值。

这使莱茵哈特很惊讶，他无意中已经和彭德利展开竞争了，而对方是英国最杰出的科学家之一。彭德利不仅仅是伦敦大学帝国学院的理论物理学教授，他还是“约翰爵士”——因为他对科学的贡献，英女王在2004年授予了他爵位。他的名气主要来源于他再光学理论和超颖材料（这种材料在自然界中是找不到的，它几乎不会折射光线——甚至是倒过来）方面的成就。（注：Metamaterial，超颖材料，超常介质，超材料等。最近才诞生的物理学名词，指在自然界中不存在，具有特殊电磁学性质的材料。文中出现的就是对光线的折射率很低，甚至是出现负的折射率。这种材料中甚至能观测到超光速现象。）莱茵哈特对遇上了如此卓越的对手感到很高兴，但是对于自己论文遭受的对待则感到很愤怒。因为彭德利的团队并没有公开他们的工作，莱茵哈特去信《物理评论快报》争论，认为杂志应该尽快刊登他的论文，而不是拒绝。此外，莱茵哈特主张，一项正在申请的专利不能成为拒绝一名独立研究的局外人的理由。

就在此时，他的命运突然来了个180°的转变。

他回忆道，《科学》最终还是想要发表我的论文。杂志刚刚收到了彭德利团队的论文，参与者包括彭德利密切的合作者大卫·史密斯（David Smith），美国北卡罗来纳州杜克大学的一位电气和计算机工程师。题目是《Controlling electromagnetic fields》，整体内容与莱茵哈特所提交的惊人地相似。在2006年5月末，这两篇文章都刊登了，并引起了轰动。世界上几十个团队开展了制造装置的工作，然而，概括地说，只是测试了新的简练的数学设计

图4：超颖材料斗篷——超颖材料制造的斗篷（外面的圆）能引导光线。

这年晚些时候，《科学》把这两篇论文和隐形技术提名为2006年最顶级的科学突破之一。《科学美国人》提名彭德利、史密斯和莱茵哈特为该杂志选出的最好的50名研究者。莱茵哈特最近获得了英国皇家学会授予的西奥·墨菲蓝天奖，同时还有连续两年提供的充足资金，使他能够继续从事通过操纵光和其他电磁波来达成的隐形技术。根据指示，还有研究通过改变周边的水使水流绕过小岛或者钻井平台。

彭德利这年获得了联合国教科文组织的尼尔斯·波尔金奖，表彰了他在这个领域的工作。

前景渐明朗

在过去的4年里，头条新闻已经报道了莱茵哈特走出的第一步，还有众多团队不仅是朝着隐形装置的方向努力，还有超清晰镜头、全方位反射体（莱茵哈特的其中一个专长）和像坍缩星那样会吞噬光线的的人工黑洞。所有这些看上去很厉害的东西，都是诞生于同一个基本的光学的。在arXiv.org这个物理学网站上，过去一年就发表了超过30篇题目上有“cloak”或者“cloaking”的论文。

迄今为止，所有的这些装置都已经经过了理论验证，但是还远远达不到实用程度。此外，小型的装置还不能是一些物件很完美的隐形，也不能使很大的物件隐形。但是在一些波长范围内已经能做到隐形的物体不用显微镜看不出来的程度了。因为遮盖较长波长的装置比较简单，所以第一个取得成功的是微波——波长能够以英寸来测量。一些装置能在红外线下工作，这类光波的波长甚至比针头直径还小。而能在波长更短的光波下有效的装置也被提上了议事日程。

莱茵哈特和彭德利仍然在为这方面奋斗——他们也仍然在竞争。两个人一受到点刺激就会开始抱怨，对方在发现“隐形技术”这件事上得到的荣誉比他应得的要多。

当彭德利在说莱茵哈特第一篇发表的论文“有一个好的方案”是，他补充道，莱茵哈特做的超出了他的能力范围。“乌尔夫并不诚实，他做的并不是完全的隐形，顶多是接近隐形。”——因为他的方法并没有一个完整的措施来把光作为波处理，只是把光当做是一个射线的集合。莱茵哈特反击说：“他完成了相当重要的工作，但是他不是完成了所有的工作。特别是这个研究领域和广义相对论的联系，这是我们完成的工作……他制造了一个印象，好像整个领域都是他的功劳，同时他使用了我的研究成果却没有提到它们。”

但是，研究界互相拆台的做法在竞争激烈的新兴科学领域并不少见。但所有研究者们都有一个共识：进展已经在加快了。彭德利说：“这个领域使我震惊。”莱茵哈特说：“人们跳上一个主题，然后取得成功。那里有一些极好的想法。比我能够想象的有趣多了。这个领域在理论方面结束的非常快，现在是让它成为现实的时候了。”

图5：隐形装置——这个1厘米高的隐形装置利用超颖材料来使电磁波绕过它的中心，然后在另一边重新回到原来的光路上。2006年，杜克大学的大卫·史密斯和他的同事们报告他们用这个装置隐藏了一个很小的铜圈。

其他一些案例：

张翔（音）（美国加州大学伯克利分校及罗伦斯伯利克国家实验室）说他和其他一些人着眼于一种隐性材料，这种材料应该可以在可见光波长下生效，但这个现在还是秘密，不能说太多。他预告说：“它可以妨碍你，你能感觉到它，但你看不到它。”这条秘方需要更多的研究，他说，大约再过一年才能公之于众……或者更久。

在印第安纳州的West Lafayette的普度大学，物理学家弗拉基米尔·沙拉耶夫（Vladimir Shalaev）很肯定他也能做到，并且很乐意谈谈这种材料（基本上，是镜子和空气），但他还不确定怎样实用化。（沙拉耶夫教授的论文发表了在《科学》上，国内权威媒体也出现过相关报道）

康奈尔大学的物理学家迈克尔·利普森（Michal Lipson）和她的团队演示了一个“微型披风”，一个藏有方块的小型的、平的反射面。那个隆起的部分看起来和这块“毯子”的其他部分一样平。团队把这个提交到了《自然—光子学》上面。而张翔的伯利克团队做了同样的事情，在7月份的《自然—材料学》上报告了这一结果。“这就像我们在空间这块织物上扯开了一个口。”瓦伦丁说，“光不会跑那去。”

这一年在《物理评论快报》，曾经在伯利克受训，香港科技大学的物理学家陈子廷（Che Ting Chan）所领导的团队描述了一种称为“远程隐形”的技术。这个装置不仅（从理论上）能使一个物体隐形，还能把设置在物体旁边（而不是周围）的装置隐形。团队的一篇论文提到，隐形，仅仅只是控制光线的第一步，它使一个物体看起来像是空气一样。团队宣称，更进一步，是一个物体看起来像是另一个物体也是可能的。比如说，把一个苹果变成一个香蕉。研究者们称这个分支为“光学幻象（illusion optics）”。

这些理论有的只能在一个很窄的波长范围内有效，通常是在平面的、二维的空间设立的。很难找到一个了解这方面的人来断言永远不会出现一种能够把它和它的内容物隐藏在所有波长之中的装置——如果你在可见光下看不到，那么雷达、红外线、紫外线或者X光总有一种能够看到它。但是实际用途越来越乐观，这使得有很多资金来源推动研究。

在美国，国家科技基金会的项目官员罗伯特·特鲁（Robert Trew）说，主要部门在支持这项工作——电子、通信和网络系统——已经有将近一千五百万美元的合同完成了，涵括了16个奖项。美国国防部高级防御研究计划（DARPA）已经支持这类研究10年了——起初是一种半隐蔽的披风（并不是很机密的东西，但同样不会在媒体上公开）。虽然很难得到确切的数字，但是 DARPA在这10年里大约在超颖材料上花费了五千万美金，其中包括隐形技术的研究。

在间接提到隐形工程的时候，彭德利现在认为“大部分的工作很快就会走到暗处”。毕竟美国军方的钱，其他国家也一样，敏感的东西都是放在角落里的。

延伸空间里的密洞

虽然“隐形技术”作为一个名词已经赚足了公众的眼球，但在更广的范围里，它被称作变换光学（Translation Optics）。它的力量来源于麦克斯韦非凡的财产，用于描述光和其他电磁辐射行为的经典方程组。这个方程组是不变的，也就是说在不同的坐标系统中都是通用的。因此物理学家们能追踪当一个实物精确地弯曲成形状很不一样的物体——或者反过来时光的行为。一个无限小的点在一个数学空间内，没有光波对其造成影响。这个点可以转移到另一个坐标系统，从而扩展成为一个三维空间。但是这时还是没有光或者其他辐射可以看到这个空间。

莱茵哈特在《科学》上那篇富有创意的论文将之描述为共形映射（conformal mapping）。就像地图制作者把地球仪上的地理位置覆盖到一个平板上一样——比如一个墨卡托投影——数学家可以吧一个物体的表面绘制到另一个物体上面，或者是使这两个物体的表面一样。而麦克斯韦方程组在那里仍然适用。

彭德利在《自然》7月30日的一个采访中清除地解释了这个概念： “设想一个我们正在谈论的光学系统……被嵌在一个橡胶介质中。然后我们拉伸这块橡胶，所有的光还是会经过这块橡胶……直到所有的光线都在按所希望的方向传播为止。”换句话说就是“拉伸这块橡胶”同样是在描述新制的隐形物料的性质必然要怎样改变——它每一个点上的折射率必须被怎样处理——才能允许麦克斯韦方程组如期发挥作用和驱使光绕过隐藏的地方。举例来说，我们假设一个光无论如何都会绕过的球体橡皮，假设一条直线L穿过橡皮的中线点，光线沿L到达橡皮，然后绕过去，有重新回到L继续前进。当橡皮变形的时候，光线可能就不会回到L上了，我们要通过不断的调整，使橡皮变成一个体积为原来两倍的球，而光线还是会回到L上。这时我们把物体A放到球里面，物体A就被球体隐藏起来了。具体要怎样调整才能达到效果则需要用到麦克斯韦方程组来计算，运用方程组的其中一个条件就是要知道物料的折射率。

正因为这个原因，关于隐形技术的论文常常会散落着符号ε和μ。这些是希腊字母，分别代表一种材料的介电常数（electrical permittivity）和磁导率（magnetic permeability）。这些数值描述了一个物质对于电磁辐射中振动的电场和磁场是怎样反应的。改变这写数值可使光减慢、加快，从而发生折射或者转向。（当光的一部分变得比其他部分慢的时候，波前会突然转向。）当其他特征在决定一种材料有多透明时需要基于一个给定的波长时，介电常数和磁导率在所有波长下的特性都是一样的。它们是组成折射率的一部分。

而超颖材料比起自然物质而言，折射率要容易被改变得多（甚至可以去到一个负折射率的点，使得光线转向超过一半而原路返回）。所以超颖材料就是科学家要找的那种材料。

不像自然界提供的原子和分子（它们介电常数和磁导率的组合是有限的），新颖的超颖材料可以混合和配置介电常数和磁导率，精确地改变基本的折射率，使得光线可以在隐形物料构成的空间里面转呀转的，遵守法则的同时又不会变成直线传播。

经过的光波长越短，结合光学行为生产出来的超颖材料就要做的越薄。所以当你看到第一个可用的隐形物料直径只有一张CD的那么长，但厚度要比CD薄得多时就不会感到奇怪了，而且这种隐形物料只对微波有效，这种微波的波长在空气中大约是1英寸。这个装置有杜克的史密斯团队在2006年制造，有一条很显然的天线一样的铜丝嵌在一套玻璃纤维材质的同心环中。

该年年初，张在伯利克的研究室使红外线绕过了隐藏区域，这种光波的波长要短的多。毕业生瓦伦丁和他的同事们使用一束聚焦的离子束在硅基半导体上打上以各种方式排列的孔洞，以其制造一种平面隐形材料。无独有偶，在康奈尔，利普森的团队在硅片上精确地排列了密密麻麻的小钉子，以此改变介电常数，使得红外线照在上面的时候像照在镜面上一样反射了，而没有留意到罩在下面的方块。红外线反射的状态就如照在平面上的时候那样——方块和其他在下面东西被隐藏起来了。

瓦伦丁谈到那个平面隐形材料的时候说：“效果并不理想，起码现在是这样，”首先，它只在二维平面有用；其次，它有一种特殊却没什么用的几何特性，使得研究者只能改变它的介电常数，于是就得用那些磁导性差但有利于电场的普通材料。孔洞和钉子和容易就能改变一种材料的毛密度，从而改变电学反应。“但是它有效，所以这是个开始。”隐形材料在平面上对红外线范围内的波长有效果，从1400纳米到1800纳米之间。这个方案在可见光就没用了，波长范围在400到700纳米。至少没有研究者明确地知道制造方法。至于比这波长更短的——从紫外线到X光，甚至更低的——现阶段还纯粹是科幻的内容。

当问到怎样才能把超颖材料做得像非自然材料的“原子”那样，小到足以很平滑地引导可见光的时候，瓦伦丁的老板张有点言辞闪烁。他说，他和其他的一些团队有想到一些东西。具体是什么？“我不能告诉你”他说，“这方面还有更多工作要做。”直到那个想法经过验证和公开为止，张不会再说更多了。

显然，超颖材料和变换光学的数学特性已经使研究者们想到一些新的方法去操纵电磁辐射。比如在普度大学，沙拉耶夫领导的一个团队发现，用于描述光怎样沿着光导管（实质上是做了镜面处理的管子）传送的方程组，与用于描述不同的折射率怎样平滑引导光路的方程组是很相似的。这表明，当光导管变的很窄，管壁间的距离相当于在传导的射线的波长时，射线就会慢下来。如果导管太窄，那么射线就不能通过了。但如果通路仅仅大一点，射线就会沿着通路转向了。沙拉耶夫提出了一个装置，把一块镀金的凸面镜放在镀金的平面镜上。在射线从一边进入时，凸面镜和平面镜之间的缝隙就会缩窄。当缝隙小到射线不能通过的时候，射线就会绕过凸面镜凸起的部分，在另一边汇聚，然后继续前进。在5月的《物理评论快报》上，沙拉耶夫和他的同事报告了一种用这种光导管装置制造的单层隐形材料，能覆盖大约50毫米宽的一个微小区域。正如他所说的：“我能够隐藏一根头发。这是个好开始。如果我知道怎样隐藏一个人，我就能拿诺贝尔奖了。”

对于现在所有让人兴奋的事情，史密斯说：“这方面最基本的构想已经出现很长一段时间了，有些在麦克斯韦的时代就有了。”有一篇写于1961年的论文，刊登在俄罗斯一本没什么名气的期刊上，作者是叫做列夫窦林的光学专家。他运用麦克斯韦方程组来调节介电常数和磁导率的方式，跟后来10年彭德利和莱茵哈特所用的的一样。

但不管科幻意义上的隐形能不能实现，箭已经离弦了。控制光和其他射线的新方法似乎必然会出现。“有一个截然不同的光学在等着我们”史密斯说。

没有人能预言一种对所有探测器有效地隐形装置。但即使在这点上，科幻小说也诡异地预言到了。记得Romulan的战舰吗？他们的隐形也不是完美的——企业号的的船员知道了怎样追踪他们，不管有没有隐形。

还要记住一件事。如果一种隐形材料可以使一个物体对于外界完全隐形，那么外界对于里面的物体来说照样是隐形的。在这件完美斗篷中的东西（或者人）不仅是隐形的，而且是个瞎子。