让光拐个弯

寇晓明

在“80后”小时候，有两个光学玩具很有名，一个是万花筒，一个是潜望镜，玩的都是光的反射。潜望镜比较简单，就是用两块平面镜让光线转个弯，射向人的眼睛，潜水艇、坑道和坦克上都用到了它。

不过，让光线掉头容易，让它像汽车一样沿弧线拐弯可不容易。我们都知道，光在真空中是没有折射的，只有在不同的介质中传播时，才会有折射和反射现象。不同介质对光线的折射率是不一样的。

介质的折射率是由材料的磁导率和介电常数决定的，当光从一种介质进入另一种介质时，会因为折射率不同而改变方向。以海市蜃楼为例，在沙漠地区，当气温很高时，热空气快速上升，造成近地面的空气密度低于高空中空气密度的反常现象。低密度的空气光折射率必然比高密度的空气低。远方高处的物体反射的光，从上层较密的空气进入下层较疏空气时被不断折射，使得光线变成弧线进入人的眼睛，人眼却默认光线都是直的，所以便发生了误判。蓝天反射来的光，常让人以为是湖泊。

约翰·彭德里教授的隐身理论便是用一种装置改变光线穿透介质的折射率，使光线绕过被隐藏的物体，那么人眼就没法看到被隐藏的物体了。打个比方，在一条繁忙的公路中间有一个障碍物，车流全部绕过障碍物，然后回到原来的行驶轨迹上继续前进。如果一个人坐在车里逆着车流向后看，他是看不到障碍物的。

道理听起来简单，可要实现它绝非易事。首先得计算出使光线绕过被隐藏物体所需的材料折射率变化，其次需要找到满足理论要求的实际材料。提出这种原理的科学家用基于光学保角变换的一系列数学物理方法来确定“隐身衣”所需的材料折射率分布，即磁导率和介电常数的空间分布。换句话说，隐身装置的折射率是在不同的位置连续变化的。

可是自然界的材料大多只有均匀单一的折射率，满足上述折射率分布的材料在自然界很难找到，只有依靠人工超材料来实现。得益于21世纪初人工负折射率超材料的发展，科学家能够相对容易地设计和制作具有特定磁导率和介电常数分布的人工阵列，例如由开口谐振环组成的人工阵列具有可调节的甚至是负的磁导率。2006年杜克大学史密斯教授的研究组利用这一原理制作出了第一个能对微波频率隐身的装置。这个装置大约1厘米高，直径有大约12厘米，研究人员在它的中心放置了一个直径5厘米的小铜柱，它成功地使照射在其上的微波绕道而行，从而实现了其自身和掩藏在其中的小铜柱在微波频段的隐身。这项成功的实验也反映出了科学家面临的挑战，例如如何增加工作频段的宽度从而使更多频率的微波转弯，尤其是如何实现可见光的弯曲（微波和可见光都是电磁波波谱的一部分）。这种隐身装置工作的前提条件之一是尺寸必须要接近于工作波段的电磁波波长，而可见光的波长在390纳米至700纳米，如此小的尺寸使隐身装置的开发面临很大的困难。而且，复杂且昂贵的人工超材料并不是一个经济方便的选择。

浙江大学的科学家采用的是一种相对简单的线性均匀坐标变换来进行计算，从而降低了对介质折射率的苛刻要求，用广泛使用的光学玻璃实现了光线转弯，无须人工超材料，而且隐身装置的尺寸也不再受光线波长的限制。这样，人类尺寸的光学隐身就可以成为现实了。

最近，得克萨斯州立大学奥斯汀分校的科学家利用不同的原理开发出一种很薄的隐身屏障。这个装置可以在微波波段把一个1厘米长的圆柱体隐藏起来。这种隐身衣基于波的叠加原理：当两束频率相同、相位也相同的波相遇时，它们会叠加增强；如果它们的相位正好相反，两束波会相互抵消。科学家正是利用了后者。照射在隐身屏障和被隐藏物体上的微波都会有一部分被反射回来，通过对隐身屏障的特殊设计，使得两束反射回来的微波正好互相抵消，就如同不存在一样。当两束相位相反的反射波相互抵消后，微波接收装置便“看”不到隐身屏障和被隐藏的物体了。与前面提到的让波绕道走的办法相比，这种新方法更加实际，因为这种隐身屏障很薄，而且更容易制造。很多人很乐意将这个装置同哈里·波特的隐身斗篷联系起来，对隐身衣的发展持乐观态度。这个原理也适用于可见光波段。不过，由于这种方法也要求被隐藏物体的尺寸接近于电磁波的波长，而可见光的波长在500纳米左右，所以，在可见光波段，它只能隐藏小于1微米的物体——这么小的东西，就算不穿隐身衣，我们也看不见啊！

让光线绕道走的方法可以让人隐身，但被隐身的人也接收不到可见光，所以，在把自己藏起来的同时，也等于把自己戳瞎了！

或许我们可以借鉴孙悟空的隐身方式，他把自己变成了一只飞虫，既能将自己隐身，又留有一点空间接收外界可见光。神话是美好的，很多神话中的东西到今天都已经成为现实，比如千里眼和顺风耳。没准将来有一天，这件在东西方神话里都出现过的隐身衣也会成为现实。