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隱形術(shù)揭秘:來自主流科學(xué)界的不斷探索

2010-04-26 09:27:58

來源:網(wǎng)易探索

  彭德利在《自然》7月30日的一個采訪中清除地解釋了這個概念: “設(shè)想一個我們正在談?wù)摰墓鈱W(xué)系統(tǒng)……被嵌在一個橡膠介質(zhì)中。然后我們拉伸這塊橡膠,所有的光還是會經(jīng)過這塊橡膠……直到所有的光線都在按所希望的方向傳播為止。”換句話說就是“拉伸這塊橡膠”同樣是在描述新制的隱形物料的性質(zhì)必然要怎樣改變——它每一個點(diǎn)上的折射率必須被怎樣處理——才能允許麥克斯韋方程組如期發(fā)揮作用和驅(qū)使光繞過隱藏的地方。舉例來說,我們假設(shè)一個光無論如何都會繞過的球體橡皮,假設(shè)一條直線L穿過橡皮的中線點(diǎn),光線沿L到達(dá)橡皮,然后繞過去,有重新回到L繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)橡皮變形的時候,光線可能就不會回到L上了,我們要通過不斷的調(diào)整,使橡皮變成一個體積為原來兩倍的球,而光線還是會回到L上。這時我們把物體A放到球里面,物體A就被球體隱藏起來了。具體要怎樣調(diào)整才能達(dá)到效果則需要用到麥克斯韋方程組來計(jì)算,運(yùn)用方程組的其中一個條件就是要知道物料的折射率。

  正因?yàn)檫@個原因,關(guān)于隱形技術(shù)的論文常常會散落著符號ε和μ。這些是希臘字母,分別代表一種材料的介電常數(shù)(electrical permittivity)和磁導(dǎo)率(magnetic permeability)。這些數(shù)值描述了一個物質(zhì)對于電磁輻射中振動的電場和磁場是怎樣反應(yīng)的。改變這寫數(shù)值可使光減慢、加快,從而發(fā)生折射或者轉(zhuǎn)向。(當(dāng)光的一部分變得比其他部分慢的時候,波前會突然轉(zhuǎn)向。)當(dāng)其他特征在決定一種材料有多透明時需要基于一個給定的波長時,介電常數(shù)和磁導(dǎo)率在所有波長下的特性都是一樣的。它們是組成折射率的一部分。

  而超穎材料比起自然物質(zhì)而言,折射率要容易被改變得多(甚至可以去到一個負(fù)折射率的點(diǎn),使得光線轉(zhuǎn)向超過一半而原路返回)。所以超穎材料就是科學(xué)家要找的那種材料。

  不像自然界提供的原子和分子(它們介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的組合是有限的),新穎的超穎材料可以混合和配置介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,精確地改變基本的折射率,使得光線可以在隱形物料構(gòu)成的空間里面轉(zhuǎn)呀轉(zhuǎn)的,遵守法則的同時又不會變成直線傳播。

  經(jīng)過的光波長越短,結(jié)合光學(xué)行為生產(chǎn)出來的超穎材料就要做的越薄。所以當(dāng)你看到第一個可用的隱形物料直徑只有一張CD的那么長,但厚度要比CD薄得多時就不會感到奇怪了,而且這種隱形物料只對微波有效,這種微波的波長在空氣中大約是1英寸。這個裝置有杜克的史密斯團(tuán)隊(duì)在2006年制造,有一條很顯然的天線一樣的銅絲嵌在一套玻璃纖維材質(zhì)的同心環(huán)中。

  該年年初,張?jiān)诓说难芯渴沂辜t外線繞過了隱藏區(qū)域,這種光波的波長要短的多。畢業(yè)生瓦倫丁和他的同事們使用一束聚焦的離子束在硅基半導(dǎo)體上打上以各種方式排列的孔洞,以其制造一種平面隱形材料。無獨(dú)有偶,在康奈爾,利普森的團(tuán)隊(duì)在硅片上精確地排列了密密麻麻的小釘子,以此改變介電常數(shù),使得紅外線照在上面的時候像照在鏡面上一樣反射了,而沒有留意到罩在下面的方塊。紅外線反射的狀態(tài)就如照在平面上的時候那樣——方塊和其他在下面東西被隱藏起來了。

  瓦倫丁談到那個平面隱形材料的時候說:“效果并不理想,起碼現(xiàn)在是這樣,”首先,它只在二維平面有用;其次,它有一種特殊卻沒什么用的幾何特性,使得研究者只能改變它的介電常數(shù),于是就得用那些磁導(dǎo)性差但有利于電場的普通材料。孔洞和釘子和容易就能改變一種材料的毛密度,從而改變電學(xué)反應(yīng)。“但是它有效,所以這是個開始。”隱形材料在平面上對紅外線范圍內(nèi)的波長有效果,從1400納米到1800納米之間。這個方案在可見光就沒用了,波長范圍在400到700納米。至少沒有研究者明確地知道制造方法。至于比這波長更短的——從紫外線到X光,甚至更低的——現(xiàn)階段還純粹是科幻的內(nèi)容。

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