隱形裝備出現了？

科技 01-19

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【博科園-科學科普】只要人類一直在寫關於幻想、神話和科幻小說，隱形的夢想一直是最優先被選用的。雖然《星際迷航》把隱形裝置的概念帶入到大眾的意識中，但我們最近的發現卻是對隱形技術的發展。

一個物體擁有讓周圍的光線彎曲並且照射到物體背面的能力。來自任何角度和距離的射入光都可能由於超材料、納米和轉換光學的結合而變得真實。圖片版權：University of Rochester

對雷達的隱身，即長波的電磁輻射可能是第一步，但最近對超材料的開發使這一目標更進一步，在一個物體周圍使光線彎曲而且無法被探測到。一種叫做寬頻消色差金屬的新型材料首次覆蓋了整個可見光光譜。這種技術與超材料隱身技術的融合可以使第一個可見光隱身裝置的產生成為可能。

通過在一個物體周圍彎曲光線，科學中的轉換光學可以使三維隱身裝置首次運轉。金屬化的新進展如果能成功應用，就可以將隱形衣擴展到光譜的可見光部分。圖片版權：Hyperstealth Biotechnology

在正常情況下，當用任何波長的光線照射任何物體時，典型的結果是光線被吸收或被反射。如果光線被吸收，那麼任何背景光和信號都會被遮蓋，提醒你注意它的存在。（換句話說，這個物體不會是透明的）如果光線被反射，發出的任何信號都會被反射回來，照亮這個物體直接觀察它。

當隱形技術將反射率降至最低時，一個真正的「隱身裝置」會將物體周圍的光線從四面八方轉移開，這樣一來，任何地方的人都只能看到背景信號，彷彿隱藏物體根本就不在那裡。

十多年前，第一個從一個特定角度觀察物體時會隱藏物體的2D斗篷被開發出來。今天科學家正致力於一件真正的3D斗篷。圖片版權：Igor Smolyaninov / University of Maryland

一種特殊的多層塗層，被稱為超材料的物質已經被開發出來。它能使電磁輻射在物體周圍自由傳遞，這不同於光通過一種透明材料的傳播方式。超材料的結構引導物體周圍的光，使光不受干擾地朝著它到達的方向移動。從2006年開始，轉換光學的科學使我們能夠將一個電磁場映射到一個旋轉的三維網格上；當網格被扭曲時，磁場也會被扭曲，在正確的配置下，內部對象可以被完全隱藏。通過適當地控制彎曲和不彎曲光線的數量，物體可以被特定波長的光隱藏起來。截止到2016年，一件7層的超材料的覆蓋範圍從光譜的無線電部分一直延伸到紅外線部分。

左：無限長的PEC圓柱的橫截面，受平面波的影響，可以觀察到散射場。右：2維斗篷運用轉換光學技術設計來遮掩圓柱體。在這種情況下沒有散射，圓柱體是電磁隱身的。圖片版權：Physicsch / Wikimedia Commons

與超材料有關的是金屬的領域。大多數你能製造出的透鏡的正常材料具有與稜鏡相同的色散特性：當光線通過稜鏡時，光線會減慢。但是不同波長的光變慢的速度不同，這就是為什麼當光穿過介質時，會產生「彩虹」效應，因為紅光的傳播速度與藍光不同。塗層可以應用在精細的鏡頭上，以盡量減少這種色差效應，但它還是會存在一定的色差。現代相機使用多個鏡頭來儘可能地消除色差，但它沉重、龐大、昂貴，而且不是百分之百的成功。

白光通過稜鏡時的行為表明，不同能量的光在介質中以不同的速度運動，除了通過真空。圖片版權：University of Iowa

一種理想的金屬是不管波長如何，都能形成波鋒，即使是最小的尺度，也可以將光聚焦到一個點上。一種非常薄的金屬(在一定次序下的單一波長光)，它們很容易被製造，而且可以將各種波長的光匯聚在同一點上。最近發表在《自然納米技術》上的重要科技成就應用了鈦基納米鰭。根據入射光的波長，這些納米鰭將引導光線穿過材料的不同部分，使其能夠精確地彎曲，在並且我們需要的地方結束。

通過與這種新金屬相關聯的新技術，光譜上的光可以聚焦到一個點上，這實質上是消除了色差。圖片版權：Jared Sisler / Harvard SEAS

馬上就可以製造出一個更便宜，更輕，更有效的鏡頭。魏婷(音譯)解釋說：通過將兩個納米鰭結合成一個元素，可以調整納米結構材料中光的速度，使用單個金屬可以確保可見的所有波長的光都能聚焦在同一個點上。相比於複合標準的消色差透鏡，這大大降低了透鏡的厚度和設計複雜性。雖然這些金屬材料可以直接應用於照相機、VR設備、顯微鏡及其他醫學和輔助技術，但金屬材料/納米材料與超材料的長期融合可能正是隱形裝置所需要的。

現實生活中的斗篷所面臨的最大挑戰是如何將各種波長的物體結合在一起，因為斗篷的材質必須使適當數量的光從點對點變化到彎曲然後伸直。根據迄今為止發現的材料，還沒有設法用一件斗篷穿透光譜的可見光部分。然而在金屬方面的新進展似乎表明，如果可以用一個單一窄的波長做到，可以應用這個納米技術來極大地擴展覆蓋波長的範圍。第一個應用這個技術的消色差透鏡透鏡幾乎覆蓋了全部的可見光光譜(從470到670 nm)，並且隨著超材料的發展，可見光隱身裝置將成為現實。

使光線彎曲並把它聚焦到一個點上，不管波長如何，或者它在表面上發生了什麼，都是通往真正的隱身裝置的關鍵一步。金屬和超材料的結合可以使這個科幻夢成為現實。圖片版權：M. Khorasaninejad et al., Nano Lett., 2017, 17 (3), pp 1819–1824

就在幾年前，有人推測，現實生活中的隱形斗篷只適用於少數幾種特定配置的窄波長。人們認為，大的、宏觀的物體被隱藏在一個巨大的波長範圍內是不可思議的。今天，隨著金屬的進步，通過引導不同波長的光到達合適的位置可以獲得不失真的結果是我們強烈渴望的，也許這正預示著一個真正的隱身裝置的到來。正如《星際迷航》(Star Trek)最初設想的那樣，隱身技術的完善需要幾個世紀的時間。在地球上，這可能只需要一二十年。如果這種最新的金屬材料可以迅速應用於超材料斗篷，一種光學的、三維的隱身裝置可就能在人類不久的將來現實。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

內容：「博科園」判定符合今主流科學

來自：Forbes science

編譯：公子世無雙

審校：博科園

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