這面盾牌能讓人隱身，原型你小時候就玩過
圖片來源：Invisibility Shield Co.
披上就能讓自己消失得無影無蹤的隱形斗篷，是奇幻作品中的常客。人們也一直在嘗試各種各樣的隱形手段。不過，如果把隱形的標準稍微降低一點，隱形其實並不難。
撰文｜王昱
審校｜白德凡
人們一直在嘗試各種各樣的隱形產品。最近，一家英國初創公司公布了他們的隱形盾牌產品。這款盾牌能讓站在後面的人和背景融為一體，就像這面盾牌後面的所有景物都被加上了一層橫向模糊的濾鏡。
熟悉的原理，陌生的用途
其實，這面隱形盾牌的原理，和你小時候在街邊看到的光柵貼紙原理是一樣的。這種光柵貼紙有很多名字，光柵畫、立體畫、傾斜卡等等，它們都用到了光柵印刷（Lenticular printing）技術。
光柵印刷製品的表面，是一層柱形透鏡陣列。它可以把另一面平面上的圖案的不同部分折射到特定的方向。
圖片來源：wikipedia
這樣，從不同方向看光柵畫，我們就能看到兩幅（或幾幅）不同的畫面。編輯部還有小編把這個光柵畫貼到電腦攝像頭上，除了物理防窺，還能時不時提醒自己活動頸椎——畢竟誰不喜歡沙雕表情包作成的光柵貼紙呢？
圖片來源：小編靈動的電腦
如果把表情包里的每一幀圖像都換成同一物體在不同視角上的圖案，並且再對圖像分布、透鏡陣列做出一些調整，讓畫面隨觀察角度的變化再細緻一些，就能看出栩栩如生的3D效果。
而在這面隱形盾牌上，工程師精準調整透鏡的朝向，讓大部分來自透鏡後面的光被散射到觀察者的兩側。這面隱形盾牌上的透鏡是垂直排列的，這會讓這面盾牌把更多其他方向的背景光線折射到觀察者眼中。因為大範圍的背景和被隱藏的主體相比往往更亮，佔比更多，因此觀察者往往只能看到被橫向模糊的背景，而盾牌正後方被隱藏的物體則幾乎消失不見。
隱形盾牌的原理示意圖。圖片來源：Invisibility Shield Co.
該公司的創意非常受歡迎，他們在眾籌網站上公開了自己的計劃。眾籌目標為5000英鎊，現在他們已經收到了38萬英鎊。顯然，大家對這個小玩意兒還是非常感興趣的。工程師Ian Charnas已經有些迫不及待，甚至直接在網上公布了這面隱形盾牌的製作教程。
畢竟，光柵印刷的技術原理並不複雜。早在1915年，諾貝爾生理學獎得主瓦爾特·魯道夫·赫斯（Walter Rudolf Hess）就為這種結構申請了專利。100年過去了，現在我們可以很輕易的在購物網站上買到相應的原料製作這面透明盾牌。
隱形其實並不難
當然，這樣的系統並不完美。很顯然，雖然這面盾牌能讓觀察者難以分辨盾牌後有沒有藏著一個人，但觀察者一定能很輕鬆意識到盾牌的存在。就好像開篇圖片上，雖然模特的下半身被隱去了，但是他腳底下地磚也被模糊了。
如果只是想實現不那麼完美的光學隱形，其實完全不需要什麼非常高大上的無力「黑科技」。除此之外，還有很多用生活中常見物體實現光學隱形的方法。比如2014年，羅切斯特光學研究所的研究人員用4個透鏡實現了光學隱形。
圖片來源：University of Rochester
在這個光學系統中，光線傳播過程中會聚焦到其中一點上。在這個焦平面上，除了焦點附近，透鏡視野中其餘環形區域都變成隱形的了。他們還把這項研究整理髮表到了《光學快報》上。
該系統的光路圖。圖片來源：photo by J. Adam Fenster / University of Rochester
這套系統的成像效果和隱形盾牌相比確實好了不少，至少整個畫面看起來不會出現不自然的橫向模糊。不過代價就是隱形的範圍小了很多，因為大直徑的透鏡製造成本非常高，而且聚光能力太強，可能導致燒傷風險。
使用消色散透鏡可以實現更好的效果。圖片來源：University of Rochester
羅切斯特光學研究所還很慷慨的公布了這種光學系統製作教程。你只需要4個凸透鏡，兩個焦距為200毫米（f?），兩個透鏡焦距為75毫米（f?）。並且按照下圖排列。其中t?=f? f?=275毫米，t?=2f?（f? f?）/（f?-f?）。儘力把所有的透鏡調整到一條直線上，就能在1號和2號透鏡之間製造一片隱形區域。
真正的隱形不簡單
如果更有追求一些，真正的光學隱形需要光子完全透過或繞過物體。《科學》雜誌上曾報道過利用氣體在極低溫度下的泡利阻塞（Pauli blocking）現象實現量子隱身術的實驗。簡而言之，就是在極低溫度下，費米子系統的所有低能態模式都已經被佔滿了。原本系統中的費米子可以散射光子，但這種情況下，費米子所有的臨近振動模式都被佔據了，不能輕易改變振動模式，就不再能和光子相互作用，於是光可以透射過這個系統而不發生散射。這實現了真正的量子隱身。
物質波與振動模式的關係可以比作觀眾與座位的關係。當費米子系統溫度較高時（如左圖），物質波會隨機地以各種模式振動，其近鄰的振動模式可能是空缺的；當系統溫度非常低時（如右圖），所有的物質波都會儘可能以能量最低的模式振動，其近鄰振動模式大概率被佔據了。（圖片來源：MIT）
這樣的隱身術聽起來非常完美，但如果你想用這種方法實現隱身術，就必須把自己改造成一團「簡併費米氣體」，並且冷卻到極低的溫度，壓縮到極高的密度。就算不明白「簡併費米氣體」是什麼東西，也能大概猜出來，如果自己真的成了這種狀態，憑人類現代的技術，恐怕是保不住小命的。
畢竟，生活中總是充滿了妥協。如果不是強求完美的量子隱身術的話，或許前兩種更簡單的方式也能幫你實現隱形。
參考鏈接：
https://www.kickstarter.com/projects/invisibility-shield/invisibility-shield
https://en.wikipedia.org/wiki/Lenticular_printing
https://www.sciencealert.com/these-people-made-a-functioning-invisibility-shield-all-thanks-to-physics
https://www.instructables.com/Invisibility-Shield/
https://www.rochester.edu/newscenter/watch-rochester-cloak-uses-ordinary-lenses-to-hide-objects-across-continuous-range-of-angles-70592/
https://opg.optica.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-22-24-29465
轉載內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
如需轉載請聯繫原公眾號
來源：環球科學
編輯：雲開葉落
