隱身技術真的快實現了嗎？

利維坦按：自然界中有兩種我們也許聽過的變色動物——章魚和變色龍。前者通過感光細胞調節體內色素達到變色，後者通過表面的納米晶體結構折射光線。

2012年12月初，加拿大Hyperstealth Biotechnology科技公司宣稱掌握了一種「量子隱形（Quantum Stealth）」，並聲稱該技術得到了美國與加拿大兩國軍方的支持。下圖為官方產品展示照片：

這是一家成立於1999年的科技公司，主要產品是軍用迷彩服裝，至今已經為約旦、智利、阿聯酋等地生產了大量的迷彩服。但對於前文提及的「隱形衣」，官方只給出了少量看上去模稜兩可的照片。曾有記者就此事給五角大樓發去諮詢，但並未得到回應。相對靠譜的是下文中提到的幾個突破，雖然離「隱形衣」還很遙遠，但至少能讓人看到了未來的可能。

文/Michio Kaku

譯/楊睿

校對/石煒

原文/www.naturalhistorymag.com/features/02937/invisibility

本文基於創作共用協議（BY-NC），由楊睿在利維坦發布

圖源 jacdepczyk.com; netcells.net

在《星際迷航4：搶救未來》中，進取號的船員成功劫持了一艘克林貢戰鬥巡洋艦。如果你不是《星球迷航》的鐵粉，不太清楚這件事意味著什麼，請聽我娓娓道來：星際聯邦是人類與眾多愛好和平的外星種族一起組建的和平聯盟，而克林貢是一個好戰的外星種族，站在星際聯盟的敵對面。克林貢船上有一種秘密的「隱形裝置」，能讓整個飛船在光或雷達下隱形，在伏擊聯盟星艦時就很容易全身而退。知道了這些之後，你就該明白進取號成功劫持一艘克林貢船是多麼偉大的創舉！

圖源：Heyday Films

現在，讓我們從影視作品回到現實。這樣的隱形設備真的可行嗎？從很久以前開始，隱形一直是科幻小說和幻想世界的奇蹟之一。從英國科幻小說家喬治·威爾斯（H.G. Wells）筆下的《隱身人》（The Invisible Man）到《魔戒》，再到哈里·波特系列，很多作品中都出現了隱身的元素。然而，物理學家卻堅決認為隱形是不可能實現的，他們聲稱隱形違反了光學規律，不符合已知的物質特性。

但今天，不可能成為了可能。「超材料」（metamaterials，又被稱為左手材料）取得了新進展，這種人造材料可以在某種意義上控制光的移動，它的誕生讓光學教科書不得不進行重大的修訂。這類材料的原型已經在實驗室中成為現實，引起了媒體、工業和軍方的濃厚興趣，他們迫切地想要知道可見物如何能夠隱形。

現代光學真正開始於19世紀中葉，蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）取得的成就是開啟這段現代光學史的重要里程碑。兩個世紀前的劍橋見證過牛頓的發明；兩個世紀後，劍橋又見證了麥克斯韋的成就。麥克斯韋是一名數學物理系的學生，成績非常出眾。微積分是牛頓的發明，利用微分方程來描述物體在時空中運動的方式。麥克斯韋在數學工具的幫助下開始探索電磁學的本質。

物理學家法拉第發現電可以生磁，磁也可以生電，電和磁都可以被看作一個「場」（理科的你還記得右手螺旋定則嗎？）。麥克斯韋用精確的微積分語言重寫了法拉第的場概念，得到了8個看起來很難的微分方程，這個「麥克斯韋方程組」是現代科學中最重要的系列方程之一（任何一個想要掌握電磁學物理學家和工程師，都必須翻過這座大山）。

接下來，麥克斯韋問了自己一個重要的問題：變化的磁場會產生電場，反過來也如此，那如果這些場永不間斷地相互轉變，會發生什麼呢？麥克斯韋發現，電磁場在空間中波動的方式很像是海上的波浪。他計算了波的速度，驚訝地發現它等於光速！1864年發現這一事實後，他寫下了這樣一句預言式的話：「波的速度如此接近光速，我們似乎有充分的理由得出這樣的結論：光本身......就是一種電磁干擾。」

這可能是人類歷史上最偉大的發現之一。人類第一次揭開了光的神秘面紗。麥克斯韋突然意識到，日出的壯觀、夕陽的餘暉、彩虹的色彩斑斕和穹蒼中的星星都可以用波來解釋。今天我們才意識到，無線電波，包括廣播頻率和雷達、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線，整個電磁波譜都能用麥克斯韋光的波動理論來描述。

麥克斯韋的光學理論和「所有事物由原子組成」的觀點為光學現象提供了簡單的解釋，為隱形奠定了基礎。舉例來講，大多數固體都不透光，因為光線以波的形式傳播，無法通過固體中緻密的原子結構。相比之下，許多液體和氣體是透明的，是因為可見光的波長可以更輕易地通過排列鬆散的原子之間較大的空隙。鑽石和其他晶體是一個例外：它們既是固體，又是透明的。這是因為晶體的原子雖然包裹得很緊，但它們排列成精確的格狀結構，為光束通過提供了許多通道。

根據麥克斯韋方程組，隱形這種性質必須發生在原子層面。即使隱形成為可能，要藉助普通手段重複實現隱形效果也是非常困難的。要想像哈利·波特一樣隱身，你必須煮沸、液化他，使他結晶，再次加熱後冷卻他。即使是對一名巫師來說，所有這一切都是很難實現的。

光線從真空（左上角）進入原子結構更密集的透明介質中，光的速度減慢，方向改變：光的傳播路徑改變，或變成折射。材料越緻密，光線傳播得越慢，偏折的角度也越大。所以光在鑽石中比在水中偏折得更多，在空氣中傳播時幾乎不發生偏折。在自然介質中，光的偏折絕不會發生在圖中假想線（虛線）的左側。要做到這一點，介質必須具有所謂的負折射率。現在，這一障礙已經被稱為超材料的特殊人造材料打破了。光的大幅偏折不再只是紙上談兵。圖源：jacdepczyk.com; netcells.net

當然，除了改變某人或某物的原子結構之外，還有其他的光學手段。目前，隱形研究的核心是操縱「折射率」。把手放進水中，或是透過眼鏡鏡片看東西，你會注意到水和玻璃改變、彎曲了普通光的路徑，這就是折射。光線進入緻密的透明介質時，速度減慢。但在真空中，光速始終保持不變。給定材料的折射率=光速÷介質內較慢的光速。由於光速÷光速本身=1，因此天然材料的折射率總是大於1（天然介質內光的傳播速度

倫敦大學皇后瑪麗學院的教授Yang Hao領導團隊完成了一個用於「隱形」的金屬板，板面覆蓋有7個折射率成梯度排列的超薄覆膜，用以折射電磁波來隱藏物件。圖源：cnn

但是，如果我們可以隨意控制折射率，比如說，讓玻璃中光的傳播以點到點的方式不斷發生變化，結果會怎樣？如果一束光可以像蛇一樣在組成物體的原子周圍爬行，創造自己的路徑，沿光線進入的同一條直線離開材料，那這個物體可能就變成不可見的了。為了做到這一點，物體需要以特殊的方式使光發生偏折，這就需要使用負折射率的介質。過去幾十年來，所有光學教科書都說這種負折射率的介質是不可能存在的。然而，到2006年，位於北卡羅來納州達勒姆的杜克大學普拉特工程學院和倫敦帝國理工學院的研究人員成功挑戰了傳統的認知，通過利用超材料操縱折射，實現了物體在微波輻射下的「隱形」。

科學家們設計了一種超材料，這種物質具有自然界不存在的光學性質。微軟前首席技術官內森·梅爾沃德（Nathan Myhrvold）表示，超材料「將徹底改變我們對待光學和電學幾乎所有方面的方式......（它們）可以完成幾十年前還被看作奇蹟的壯舉」。

杜克大學工程師製造的這種超材料依賴於微小的植入組件，這些植入組件迫使電磁波以特殊的方式發生偏折。微型電路嵌入到與電爐線圈相似的同心圓銅圈裡，如下圖所示。這些植入組件是陶瓷、聚四氟乙烯、纖維複合材料和金屬製成的混合物，可以在設備四周以特定的方式引導微波輻射改變傳播路徑。植入組件內部的小銅圓柱體不能被微波輻射檢測到。但它確實投下了一片極小的陰影。真正的隱形需要消除所有反射和陰影。

要了解輻射在超材料設備周圍發生偏折的情況，可以想像一下河流繞過石頭的方式。水迅速繞過石頭，石頭是看不見的。同樣，超材料可以連續改變、偏折波的傳播路徑，使它們繞著圓柱體流動，基本上可以使圓柱體內的所有東西在微波下不可見。

杜克大學工程師開發的隱形設備：這種設備利用超材料在微波頻率下實現了隱形。每個部件高1cm，整體約十英寸（25.4cm）寬。嵌入同心環中的微型電路使微波輻射的路徑發生偏折，電磁波圍繞隱形裝置流動，實現了裝置和被放置在裝置中心的物體的「隱形」。圖源：杜克大學

通常來講，植入這種超材料內的內部結構必須小於需要重新定向的波長。例如，要使波長為3cm的微波發生偏折，超材料內嵌入的植入組件必須小於3cm。但為了讓物體在波長為500納米的綠光下不可見，嵌入超材料中的植入組件長度就必須僅為50納米左右。（一納米等於十億分之一米，大約能容納五個原子。）建立這樣的原子級結構需要非常先進的納米技術，是現代工程面臨的局限。消除這些局限可能是工程師製作真正的隱形設備時面臨的關鍵問題。

計算機晶元行業已經開始使用納米技術，在更小的規模上實現更好的性能。實驗室宣布製成超材料之後，這一領域的活動十分活躍，每隔幾個月就會出現新的見解和驚人的突破。科學家的目標是要開發出可以令可見光發生偏折的超材料。微波隱形只是個開始。

半導體行業的發展促成了新型超材料的誕生。「光微影術」或「光學光刻」（optical lithography）技術使工程師能夠將數億個微型晶體管放在比指甲蓋還小的矽片上。科學家們使用紫外線輻射將更小的組件「刻」到硅晶元上。目前，光刻工藝可以完成的最小組件約為30納米（約150個原子）。

利用光刻技術，科學家發明了第一種針對可見光的超材料：2006年底，德國科學家和美國能源部（DOE）的科學家宣布他們製造出了歷史上首個可在紅光下隱形的超材料。他們是如何把「不可能」變成可能的？美國能源部愛荷華州艾美實驗室的物理學家科斯塔斯·蘇庫勒斯（Costas M. Soukoulis）、德國卡爾斯魯厄大學的岡納·道林（Gunnar Dolling）、馬丁·瓦格納（Martin Wegener）和德國卡爾斯魯厄研究所的史蒂芬妮·林登（Stefan Linden）合作。他們在一塊玻璃片上塗上一層薄薄的銀塗層，然後再是氟化鎂和另一層銀塗層，最後形成只有100納米厚的氟化物「夾心三明治」。接下來，利用標準光刻技術在三明治中刻出大量寬100納米的方形孔，形成和魚網類似的網格圖案；然後讓波長為780納米的紅色光束穿過材料，測量得到其折射率為-0.6。（在此之前以前，超材料偏折的最小波長為1,400納米，不在可見光譜內，屬於紅外線範圍。）

物理學家預見了這種隱形技術的許多應用。蘇庫勒斯說，超材料「可能有一天會讓我們開發出一種在可見光譜範圍內起隱形作用的平面超透鏡，這種透鏡的解析度比傳統技術要更高，能夠捕獲比光的一個波長更小的細節。」這種「超透鏡」的突破性應用將包括微觀物體的拍攝，如活體細胞內部的拍攝。這種超透鏡的清晰度無可比擬，有望使胎兒疾病的早期診斷成為可能。在理想情況下，人們不用使用笨拙的X射線晶體學就能夠拍攝DNA分子的清晰照片。

到目前為止，蘇庫勒斯的團隊只實現了紅光折射。下一步是要創造一種能將物體周圍的紅光完全折射的超材料，完全實現物體在紅光下的隱形。

隱形研究的另一個領域也讓人們看到了希望：光晶體管。「光子晶體」技術的目標是創建一個用光不用電的晶元來處理信息。這需要使用納米技術來光刻、模製晶片上的微小部件，使每個部件的折射率都發生變化。

和普通晶體管相比，光晶體管具有很多優點。例如，光子晶體的熱損失更少。（高級硅晶元產生的熱量都可以炒雞蛋了。晶元必須持續冷卻，但保持晶體冷卻的成本非常高。）我們毫不意外地發現，光子晶體科學能夠完美地用在超材料上，這兩種技術都涉及到納米規格上操縱光折射率的問題。

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羅切斯特大學的博士生Joseph Choi，用四個凸透鏡組成了一個可以隱藏特定位置物體的隱形透鏡組。圖源：羅切斯特大學

另外一個研究團隊在2007年年中宣布，他們製造的超材料使用了完全不同的「等離子體光子學」技術。加州理工學院的物理學家亨利·萊澤克（Henri J. Lezec）、珍妮弗·戴恩（Jennifer A. Dionne）和哈里·阿特沃特（Harry A. Atwater）開發了一種超材料，這種材料對可見光光譜內隱形難度更大的藍綠色區域折射率為負。光子晶體將光束困在晶體內部，等離子體利用的是與光束同速的電子（電子也像光子一樣，是一種波）。

等離子體光子學的目標是要將光的快速信息承載能力「擠壓」成納米級的空間。金屬導電是因為電子鬆散地與金屬原子結合在一起，它們可以在金屬表面自由移動。家用電線中流動的電流只不過是鬆散結合的電子在電線的金屬表面平穩流動而已。但在某些條件下，與金屬表面碰撞的光束可能會在金屬表面產生電子的波動，這被稱為等離子體。等離子體的波動與原始光束振動一致。更重要的是，可以「擠壓」等離子體，讓它們仍然與原始光束同頻（從而攜帶等量的信息），具有更短的波長。原則上來講，可以將被擠壓的波束填充到納米線上。與光子晶體一樣，等離子體光子學的最終目標是要製成用光電而非單獨用電的計算機晶元。

加州理工學院利用兩層銀開發了一種超材料，在兩層銀之間有500納米的硅-氮絕緣物質，由金、銀塗層的納米級稜鏡阻斷。稜鏡被僅為50納米的氮化硅分離開來，氮化硅是可以改變等離子體波方向的「波導」。激光通過超材料中刻出的兩道狹縫進入、離開隱形裝置。通過分析激光在穿過超材料時發生偏折的角度，我們可以驗證光線是否以負折射率發生了偏折。

白線表示右側光源發出的光線到達超材料隱形裝置（藍色環狀物）的路徑。藍線表示隱形裝置的超材料在需要隱形的物體（黃色圓圈）周圍改變光線的路徑；站在左邊看的人並不知道光線從光源出發並沒有直接到達左側。右側的觀察者也不能檢測到物體的存在，因為它不會反射光或投射陰影。圖源：jacdepczyk.com; netcells.net

正是因為科學家對光晶體管充滿了濃厚的興趣，超材料的進展才會越來越快。隱形研究可以藉助光子晶體和等離子體的研究。為了創造出更小、更快、溫度更低的晶元替代硅晶元，這兩個領域已經有上億美元的巨大投入。更新、更好的超材料總有一天會「自立門戶」。

每隔幾個月，這一領域就會取得一些突破。一些物理學家預言：在不久的將來，實驗室將發明出真正的「隱形斗篷」。這樣的想法並不奇怪。科學家們信心滿滿，相信在未來幾年，他們將開發出一種超材料，讓物體在可見光的某種頻率下完全隱形，這種隱形至少能在二維平面實現。只有改變微型納米組件的常規排列方式，變得更加複雜，才能讓光線平滑地繞著物體發生偏折。

下一個挑戰不再僅僅局限於二維平面，而是要開發出可以在三維空間中讓光偏折的超材料。製造平面硅晶片的光刻技術以臻完美，但開發三維超材料還需要更複雜的過程和技術。

在那之後，科學家還需要開發能偏折多種頻率光的超材料。這可能是最艱巨的任務。迄今為止，科學家設計的微型植入組件只能讓一種精確頻率的光發生偏折。科學家可能必須開發出多層超材料，每層都能作用於一種特定頻率的光，才能偏折多種頻率的光。遺憾的是，科學家暫時還不清楚要如何解決這個問題。

隱形裝置什麼時候會走進市場，進入我們的生活？科幻迷們請耐心等待。不過，即便隱形裝置真的進入了日常生活，第一代裝置想必也非常笨重。哈里·波特的隱形斗篷是由薄而軟的布料製成的，能讓任何藏在披風裡的人隱形。為了做到這一點，布料的折射率必須以非常複雜的方式不斷變化。這是不現實的。第一件真正的隱形斗篷最可能是由超材料圓柱體製成的。這樣的話，折射率就是固定的。更高級的版本才可能利用更加柔軟的超材料讓光線流向正確的路徑。這樣一來，穿斗篷的人才能享有一定程度上的行動自由。

別忘了，隱形斗篷還存在一個固有的缺陷：穿斗篷的人如果要睜眼看著斗篷外面，他就無法完全隱形了。想像一下哈里·波特整個身體都隱形了，只有眼睛還漂浮在半空中的場景。斗篷外的人能清晰地看到穿斗篷的人的眼睛。想要讓他們完全看不見，哈里·波特必須緊閉雙眼、整個人都罩在斗篷下面（在眼睛附近添加兩個成小角度擺放的玻璃片也許能解決這個問題。玻璃片會分離撞擊玻璃片的那一小部分光線，將該光線偏折到眼睛裡。和斗篷碰撞的大部分光線仍然會繞過它，實現隱形；只有極少數量的光線會發生轉移，讓人看見）。這重重困難令人生畏，但科學家和工程師仍然樂觀地認為，不論能否與克林貢船媲美，人類都能在二三十年的時間裡開發出現實生活中的隱形裝置。不僅如此，還有很多其他的設想會被人類變成現實。到那一天，書本紙張會變成什麼樣？特殊材料會發展到什麼水平？讓我們拭目以待。

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「利維坦」（微信號liweitan2014），神經基礎研究、腦科學、哲學……亂七八糟的什麼都有。反清新，反心靈雞湯，反一般二逼文藝，反基礎，反本質。

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