科幻中的魔法探秘

陈鲲

隐身术的真面目

在电影《哈利·波特》中，小哈利收到一个披上便能隐身的隐形斗篷，这么厉害的斗篷我们在现实中可以玩到吗？答案是肯定的。其实隐身材料在生活中并不少见，我们甚至可以在家里制作隐身衣，实现隐身。在了解“隐身术”之前我们首先来了解一下我们是如何看到物体的。当物体表面散射空间中的光进入人眼，在视网膜上形成图像时，我们便看见了物体，而“隐身术”与此息息相关。根据隐身原理，大致可将“隐身术”分为三种。

○ 叶虫与树叶极为相似的形态可以帮助其躲避鸟类的捕杀

第一种隐身方法是使物体散射的光与背景相同。在这种情况下，我们其实看到了物体，只是无法将物体与背景区别开。这种隐身现象大多发生在自然界，是生物进行捕食与自我保护的重要方法。比如叶虫，它的表面对光的散射与树叶相同，使得它们在一堆树叶中很难被察觉，从而躲过外界的攻击。另外，在实际作战中，军人也会通过与环境散射相同光的迷彩服来躲避敌人的侦察。这种“隐身术”一旦换了环境便会失效，但变色龙、章鱼等生物却例外，这是因为它们具有适应性的“隐身术”，可以根据背景环境调节自身对光的散射，从而实现多方位的隐身，但局限于当前的技术手段，这种动态适应的“隐身术”尚未在军事中实现。

延伸阅读：变色龙和章鱼的“七十二变”

○ 变色龙栖息在树枝上

○ 章鱼潜伏在海底

变色龙和章鱼是如何实现“七十二变”的呢？原来，变色龙体表有两层含有晶体的虹细胞，当变色龙缩放皮肤时，细胞内的光子晶体间距也缩放，使得变色龙呈现出不同的颜色。而章鱼可以利用肌肉伸缩体表的色素囊与反光蛋白，从而呈现不同的体表颜色以适应环境。

第二种隐身方法是通过使物体发出的光完全被吸收或者让散射光散射到其他地方而不进入人眼或者探测器。我们平常所谓的隐形战机就是通过这种方法实现隐身的。探测雷达向各个方向发射探测雷达波，如果空中存在一架战机，则一部分散射波会返回探測器，从而发现战机。如果改变战机外形或者在战机表面涂抹吸收光的材料，使散射波无法返回探测器，那么雷达便无法发现战机，战机就实现了隐身。

然而，一旦在战机周围放置多个探测雷达，甚至利用卫星联合探测时，隐形战机便会由于散射波被其他探测器探测到或吸收了探测波，阻碍雷达间的信号传递而被探测到。这种情况下，隐形战机就会隐身失败。

延伸阅读：可见光与微波

○ 电磁波谱

我们平常说的光，指的是人眼可以看见的可见光，而雷达波采用的是微波，它们都是电磁波的一种，与其他电磁波均遵循相同的物理规则。

第三种隐身方法是让探测光绕过需要隐身的物体实现隐身。2006年，美国科学家利用超材料实现了微波频段的隐身，然而这一方法对材料的电磁参数要求非常严格，技术还有待提高。2016年，中国科学家利用金属与塑料复合构造新型人工电磁材料，这种材料的等效电磁参数与空气完全相同，因此无法发生任何散射，可以视为自隐身材料。这种材料相当于特定波长范围内的人造空气，对于特定波长范围可以实现全方位隐身，但要求整个物体必须全部由这种材料构成，不能掺杂其他物质。这种自隐身材料可以用在电梯、墙壁等地方。随着相关技术的不断提高，未来，这种材料在军用、民用方面的应用潜力巨大。

○ 散射波无法返回雷达探测器，战机实现隐身

此外，利用现代计算机的视频处理能力，Wow Stuff公司通过在手机软件里内置绿色抠图，再贴上背景的方式，在手机里完美还原了电影中的隐身效果。国内一些声称做出隐身衣特效的，一般也是采用这种方式。感兴趣的朋友不妨利用这种方法，自己找一块绿布，体验一下如何隐身。

动手做

下图是一种在家里就可以做的隐身装置，4面镜子如图放置，尽可能做到相邻的垂直，不相邻的平行，镜面相对。光线通过镜子时，经过4次反射绕开了三角区域，实现了三角区域的隐身。

○ 超材料隐身仿真：电磁波可以经过这种超材料装置并绕开中心区域，尽管波形上有所波动，但仍然较为完整

超光速可以实现吗？

在很多科幻电影中，超光速司空见惯，而在已知的科学界中，严格的超光速是不可能发生的。自麦克斯韦发现、赫兹证实光与电磁波具有相同的、不变的光速开始，光速不变成为现代科学的基石。尽管绝大多数人相信实物粒子与信息无法超光速，但仍有人孜孜不倦地寻找超越光速的粒子。2012年，欧洲科学家声称发现了超越光速的粒子，但之后被证实是实验误差。

事实上，无法超越光速是由因果律保证的。最常见的、人们误以为是超光速的主要有2种：一种是宇宙膨胀速度超光速，而相对论要求的是实物粒子与信息无法超光速，这并不矛盾，空间膨胀速度是可以超光速的，这同时也表明有很大一部分宇宙我们永远无法观测到。

○ 隐身装置和隐身原理示意图

另一种则是量子纠缠。在讨论量子纠缠前，我们先认识一下量子理论的一个基本假设——波函数假设——即粒子在被观测前是不确定的，一旦我们对其进行测量，波函数便会塌缩成具体的状态。就好像我们掷骰子前，骰子的点数是未知的，一旦我们掷下骰子，骰子便会呈现出具体的点数。

○ 通过将抠图算法写入App，可以在手机里实现隐身（绿布抠图是最常用的影视特效手段，由于人体不是绿色，以绿布为背景可以帮助计算机快速将背景抠除，换为相应的视觉特效）

○ 量子隐形传态示意图

量子纠缠是指两个粒子存在量子关联，无论我们把两个粒子放在多远的位置，一旦我们测量其中一个粒子状态，另一个粒子状态便会确定下来。有好事者称之为超光速。的确，这种纠缠作用是瞬发的，但也不能称之为超光速。就好比我们一出生，爸爸便具备了父亲的身份。即使相隔萬里，这种身份变化也是瞬发的。量子纠缠的一个典型应用是量子隐形传态。量子隐形传态是指利用两个粒子A和B之间的纠缠作用，假设C、A处于一处，B处于另一处，则C的量子态一部分通过AB纠缠传到B，另一部分则通过经典通道传到B，由于必须经过经典通道，因此无法超光速。经典通道的载体可以是光、声、引力等。量子隐形传态是量子通信中简单的一种，研究隐形传态是实现全球化量子通信的前提。