隐身衣:"裁剪"光的科学

　　早在1897年，英国科幻作家威尔斯在小说《隐形人》中就描述了这样的故事：一个偏僻的小村里出现了一个浑身缠满绷带的人，引起大家的骚动不安。这个名叫格里芬的怪人，在解开绷带后就谁也无法用肉眼看见他了，因此他可以为所欲为，犯下了许多恶行。在威尔斯的小说问世40多年以后，好莱坞据此拍摄了电影《隐形人》，并衍生出“隐形人”电影系列。 　　实际上，在古今中外的文艺作品中，隐身技能是很多魔幻英雄的绝门功夫，从孙悟空的七十二变到哈利・波特的隐形斗篷无不如此。在人群中隐藏自己的奇妙体验不仅一直挑动着人们的好奇心，也成为人类科技与军事领域的现实需求。 　　在21世纪的今天，当幻想之光隐约照进现实的时候，隐身衣究竟离我们还有多远？ 　　 　　隐形飞机：看得见的“隐身” 　　 　　“战地隐身衣也许会成为下一个军事实力的放大器”，在2010年12月的美国《信号》杂志上，一篇题为《科学家寻求隐藏起战地武装》的文章表示，继2006年研制出第一件“隐身衣”之后，美国杜克大学与普渡大学及美国军方合作，在隐形材料的研制上取得了新的进展。 　　实际上，隐形技术的运用在军事上并不新鲜。不过，在此之前所谓的“隐身”，并非让人眼“视而不见”，只是让雷达电磁波探测不到而已。 　　最早的隐形兵器是外型冷酷怪异的美国F-117夜鹰战机。它的机身表面涂有一层黑色的雷达吸波材料。更重要的是，它运用了多棱折面的反射原理，战机的造型“凹凸有致”，这样，雷达发射过来的电磁波经过机身反射后，不能原路返回，从而达到隐身的目的。 　　F-117曾在1991年的海湾战争中大出风头，40余架战机执行了约1300次攻击任务而无一受损。但到了1999年，美国与北约空军空袭南斯拉夫时，一架F-117被击落，另一架被击伤，打破了F-117无法被发现和击中的神话。于是，美国又研制出新一代隐形飞机――B2幽灵隐形轰炸机。 　　B2幽灵的机身上涂上了一种更先进的雷达吸波涂料。在飞行中，这种涂料能把周围的空气电离，形成一层等离子体薄膜蒙在飞机的周围，使雷达射来的电磁波被吸收或被散射。这种技术被称为“等离子体”技术，近日被热议的中国新一代隐形战机歼-20据传便是采用了此种技术来隐身。 　　然而，无论是“夜鹰”还是“幽灵”，它们都只是对雷达电磁波隐身，离真正“来无影，去无踪”的隐身效果，还差十万八千里。 　　 　　让光“拐弯”的“左手材料” 　　 　　那么，有没有穿上了就变透明、让人肉眼看不到的真正的“隐身衣”呢？对此，复旦大学物理系教授黄吉平的回答是：“这个可以有。” 　　在威尔斯的笔下，格里芬变成隐形人的原理是，“把某种固体或液体物质的折射率降低到和空气一样，而且除了改变颜色以外，不必改变物质的其他性质。这样，一个物体既不吸收光线又不反射或折射光线，所以它本身就看不见了。” 　　而科学家们最新研究的隐身衣，其原理与此几乎如出一辙――“就像河水遇到水中的石头，顺着石头的表面流过去一样，光线遇到隐形材料会拐弯，不会发生反射和折射，因此，你将什么都看不到，就像透明的一样。”黄吉平这样解释道。 　　能够产生这种隐形效果的，是一种被人们称作“左手材料”的物质。 　　在自然界中, 电介质的两个常数――介电常数和磁导率都为正值，因此入射光或电磁波的电场分量、磁场分量和传播方向之间的关系遵从右手规则，这样的物质被称为“右手材料”。这种右手规则也被看做物质世界的自然法则。但在1968年，前苏联科学家菲斯拉格（Veselago）在《物理研究进展》杂志上发表论文指出，当某种材料的介电常数和磁导率皆为负值时，其电磁关系就会与右手规则相悖，于是这种假想中的物质被称为“左手材料”。 　　“当时囿于技术的限制，大家认为这种左手材料是不存在的，因此菲斯拉格这篇文章发出来后一直无人问津。”北京师范大学物理系教授张向东介绍说，“直到1999年，英国帝国学院的彭德雷教授（Pendry）等人提出，经过特殊人工设计的材料，可以在微波段实现负的介电常数和磁导率，人们这才想起了30多年前菲斯拉格提出的理论，并开始佩服他的远见。” 　　2001年，美国加州大学圣地亚哥分校的物理学家们根据彭德雷的提议，用周期性排列的金属条和开口铜环制作出了微波段的一维左手材料。此后，对于左手材料的研究结果层出不穷，直至2003年，《科学》杂志将左手材料的研制列为当年的“十大科技进展”之一。 　　 　　复杂的“裁剪” 　　 　　然而，现有的左手材料仅局限于微波段的光，要研究真正的隐身衣就需要由微波段向可见光发展，而这却遇到了一个难以逾越的障碍――左手材料对光的吸收问题。因为左手材料大多由金属制成，而金属电子的等离子共振频率与可见光的频率相当，因此，隐身衣会吸收更多的光，就会使物体形成一个阴影，从而无法达到完美的隐身效果。 　　《信号》杂志最新报道的普渡大学的研究成果，正是在这个问题上取得了重要进展。 　　从外形上看，杜克大学于2006年研制的隐身衣实际上只是一块不到5英寸宽的玻璃纤维板，上面布满了铜圈和金属线。而这次研制的新型隐身材料，则是一张用好几层银和氧化铝织成的“渔网”。 　　“以往制作左手材料，会将增益材料置于母体材料的表面。增益材料的作用就是增强光场效应，减弱材料对光的吸收。但他们的做法很巧妙，把夹在银层之间的氧化铝层掏空，将增益材料加进里面，这就使增益材料的增强效应提高了50倍，某种程度上解决了左手材料对光的吸收问题。”黄吉平解释说，这一成果意义重大，因而2010年8月的《自然》杂志报道了这一研究进展。尽管如此，这种材料仍有许多局限性。 　　现有的隐身衣，主要通过材料的微结构尺寸和布局来达到对某种单一波长的可见光或微波的隐身。比如，要对波长3厘米的微波隐身，隐身衣的微结构尺寸差不多只有3毫米或更小。而可见光的波长比微波要小得多，像绿光波长只有500纳米左右，也就是说，能对绿光隐身的隐身衣，其微结构的尺寸，要远远小于500纳米。这就给技术本身带来一定困难。此外，不同的光，都要求隐身衣有不同尺寸和布局的微结构，这就很难在同一件隐身衣上，同时实现对多种不同波长的光隐形。 　　然而，即使出现了能对所有可见光有效的隐身衣，还会出现另一个问题：穿上这样的隐身衣，虽然别人看不见你，但由于没有光线进入到你的眼睛，所以你也看不见对方。对此，该项目的美国军方负责人哈蒙德表示，科学家们已经想到，可以通过给隐身衣开个“窗户”，或者安装“开关”来解决这个问题。 　　《信号》杂志的文章指出，所谓隐形技术实际上是一种“控制光线的技术”，所以这种技术并不局限于用来研制隐身衣，比如，充分利用这种技术，人类可以制造出更精密的光学透镜；此外，在纳米水平上也可以延伸出“光刻技术”，用来制造更小的集成电路器件。这将意味着人们可以制作出更小的芯片，而单位体积芯片的存储能力、集成能力则会随着体积的减小而加倍，芯片的容量将因此而提高。 　　在人类顽童般的好奇心和各种现实需要的驱动下，隐身衣离我们真的不再遥远。也许人们该开始思考，穿上隐身衣后可能遭遇的社会与道德问题了！★