关于隐身衣科普，物理隐身衣

来源：头条浏览：0 2022-12-12 10:51:01

自古以来人类就想象着隐藏的能力，但“隐藏”至今仍经常出现在文艺作品和电子游戏中。 ——以魔法和科幻的形式出现。风靡全球的《哈利波特》主人公的那件隐形衣满足了我们对隐形衣的幻想。实际上，正在开发使这种光“穿过”身体的光学紧身褡。不仅如此，科学家对不同物理环境下物质的隐身方法进行了广泛而深入的探索，从而建立了不同类型的隐身方法，绝对超乎你的想象。写作|徐磊(香港中文大学物理系教授) :实现隐身是人类自古以来的梦想。从《西游记》中孙大圣的隐身术到《哈利波特》中哈利的隐身斗篷，这个梦受到全世界人民的广泛关注。隐身狭义上仅指肉眼看不见，更广义的隐身不仅指眼睛，而且是雷达、声纳等某些探测手段无法探测到的，在这种探测手段下隐身。实现隐身在军事上有着重要的应用，如隐身飞机、隐身舰艇等可以悄无声息地接近目标，因此隐身技术成为各国军事领域的研究热点。随着科学技术的发展，各类隐形衣在许多不同的物理场中获得了成功，并不断成为不同领域的研究热点。隐形衣的原理是什么？有哪些不同的隐形衣？它是如何实现的呢？如果有一天能穿上隐形衣，你打算给朋友和家人什么样的惊喜？如果你对这些问题感兴趣，这篇文章是为你精心准备的。

要实现隐形衣的结构，首先让我们理解为什么我们是可见的。一种常见的情况是，物体反射或散射的光进入我们的眼睛，从而可以看到物体，如下图所示。

关于隐身衣科普，物理隐身衣

初中的物理教科书《人教版》知道了这个原理，产生了一个大胆的想法：一件衣服如果能完全吸收而不反射和散射光，就可以躲藏起来。众所周知，如果黑色能很好地吸收光线，用超黑色的斗篷覆盖全身，那就可以走到街上为所欲为了。事情没这么简单。

从《蝙蝠侠：侠影之谜》的剧照中可以看出，上图中蝙蝠侠的黑衣吸收了所有的光，但与明亮背景的对比将蝙蝠侠暴露得很彻底，光靠吸收是无法隐藏起来的。物体对光的反射、散射和吸收会暴露其位置，如何才能实现隐身呢？哈利波特的隐身斗篷为我们提供了正确的思路。 (请参阅

在《哈利波特与魔法石》的照片中，哈利波特的隐身斗篷实现了光不受影响地传播到原路，而不会反射、散射或吸收光。当哈利周围的光自由地穿过他的身体不受任何影响时，他的身体凭空“消失”——我们可以清楚地看到他身后的背景墙，但看不到他的身体。所以，隐藏斗篷的基本原理是防止光的传播受到物体的影响。原理很简单，但是个很难实现的问题。大多数物体是不透明的，所以光不能透过并继续传播。如何使光不受物体的影响？目前的基本思想是设计用特殊结构的材料包裹物体，光可以绕过物体并继续沿着原始传播路径传播，如下图所示。这个特殊结构的材料是隐藏的衣服。

动图来源： gfycat.com如何让光绕过物体？一般是先计算理论上需要的折射率，然后寻找具有该折射率的材料通过实验实现。一种重要的理论计算方式是2006年伦敦帝国学院的John Pentry教授及其合作者提出的转换光学理论。重要的是利用坐标转换将体积为零的点转换为体积非零的区域，将物体隐藏在这个特殊的区域中。体积为零的点对光的传播没有任何影响，所以变换后的特殊区域也具有同样的性质，可以得到光绕过物体的效果。具体的折射率参数可以通过坐标转换求出，如下图所示。

约翰pEntry教授

空间变换：由于是将点变换为区域，隐形衣的本质是通过制造光线迂回的区域，隐藏物体来实现隐身。这种方式已经可以通过实验实现。例如，用几个透镜制作光完全迂回的区域，当物体进入该区域时，外界完全检测不到。怎么样，这个特殊的空间可以说是躲猫猫的神器吗？你也想拿着它利用来实施大胆的计划吗？

视频来源： Choi，J. S .Howell，j.c.opticsexpress，2014 )

利用这种透镜产生的隐藏空间可以实现各种类型的隐藏装置，但远远比不上将——放在物体上就能隐藏起来的实用方便。要实现哈利波特那样的隐身斗篷，就需要随心所欲地控制光线的偏转，让物体绕行。这种偏折方式一般无法用自然界的材料实现，只有负折射率材料才能成功。要实现负折射率，需要金属这一特殊材料。

负折射率超结构材料图片来源：维基超结构材料通常不是天然材料，而是由功能基元的设计和基元的特殊空间排列构建的人工材料。它表现出许多新奇超常的物理特性，广泛应用于光学、力学、声学等诸多领域，如光学负折射率材料、力学负泊松比材料、声学吸声材料等。

左图：负折射率超结构材料。右图(带正折射率的普通材料图像源( Dolling et al .Optics Express，2006.) )1)电磁波屏蔽体采用超结构材料，科学家于2006年首次实现了微波频率电磁波屏蔽体) )见下图微波和可见光一样是电磁波，但波长在更长的尺度上(毫米到米)。我们常用的微波炉是利用这一带的电磁波加热食物。该隐形衣在可见光波长下一点也不显得“隐藏”，但在特定的微波波长( 3.5cm )下是隐藏的，其内部的物体也被隐藏，用该波长3.5cm的微波检测不到。

( a )微波屏蔽服的结构设计。 ) b )隐形衣的数值模拟表明微波通过隐形衣后继续传播。 ( c )实验结果与模拟结果一致。图片来源： D. Schurig，et al .Science，314，977 ( 2006 )继微波透视之后，科学家也开发出了许多不同类型的对可见光的透视。一个常见的设计方案是可以把物体藏在地毯上。可以把物体藏在地毯下面，对旁边的观察者来说就像平坦的地面，可以藏物体。设计的原理本质上是用特殊的镜面或隐藏装置反射或折射照射物体的光从而绕过物体，在原来的道路上传播。

图片来源：维基百科

图来源： IOA(2)光学百叶窗)利用该设计方案，科学家们于2009年成功实现了地毯式光学百叶窗()。如果没有百叶窗，物体会使光向各个方向散射。 (下图左)。但是，如果戴上百叶窗，光的传播方向就会像光滑的地板一样。 (下图中) )远处的观察者误以为只有地板没有物体，这成功地实现了百叶窗。

图片来源： Valentine、Jason、etal.naturematerials8(7)、568-571 ) 2009 )。在设计上衣时，还有一个非常重要的实用原则，就是越薄越好。如果能像轻薄的衣服一样穿在身上躲藏起来，那就比一套厚铠甲更方便实用了。根据这个原则，科学家们开发了超薄型光学百叶窗。通过将80纳米厚的纳米天线覆盖在物体表面，该纳米天线不仅可以调节反射光的方向，还可以调节反射光的相位，使光像平滑的平面一样反射，将物体隐藏在平滑的地面上。这种超薄纳米天线明显与斗篷很相似，但只对特定波长的光( 730nm )起作用。要实现作用于整个可见光波段的大范围隐身，现有技术尚不成熟，科学家还需要进一步努力。

图片来源：倪星杰，et al .Science 349.6254 (2015 ) 1310-1314 .显然，先进的科学技术已经把光学藏身之处从电影故事变成了现实。如果穿上光学的藏身之处，不是随时都能吓到同伴吗？聪明的读者可能会说：“即使闭上眼睛，也能从脚步声中探测到人在靠近。” 确实如此。声波和超声波也用于检测物体。例如蝙蝠在黑暗中飞行、超声波检查身体、声纳检测鱼群和潜水艇，都是使用声波和超声波检测物体。因此，对声波和超声波的隐身服的研究也很盛行。 )3)声学紧身褡声学紧身褡的基本原理与光学紧身褡相同。可以在物体不影响声波传播的情况下实现声学紧身褡。具体实例如下图所示，科学家设计并实现了一个由16个同心环组成的超结构材料声学百叶窗。这些同心环可以引导声波绕过中心的物体实现声盲。如果只有物体被放置在声场中，会对声场产生很大的影响(上列照片)；而且，戴上隐形衣后，声场的传播几乎不受影响(以下照片)。声学紧身胸衣在潜艇声纳探测、隔声设施设计等诸多领域具有非常重要的应用前景。

图片来源： Zhang，s .Xia，c .Fang，n.(2011 ).Physical review letters，106 )2)，024301(4)4)其他类型的百叶窗为光学百叶窗热学隐形衣也是常见的隐形衣。众所周知，许多物体包括人体在内具有与周围环境不同的温度，根据其温度不同，可以使用红外线检测器等测温装置发现物体。因此，科学家们可以用同样的原理设计对应热流传播方程的热学超结构，并制作相应的热学超结构。穿上这个热学遮盖物，人体温度就会和背景温度一致，如下图的红外线照片所示，实现热学的隐藏。

图： Adam Harvey受这些隐形衣的启发，最近的研究热点开始集中在流场隐身上。隐藏流场的衣服追求将物体对流场的扰动抑制在最小限度，使物体无法根据流场的变化检测出来。该流场覆盖于2019年首次在多孔介质流场实现。如下图所示，无物体时的流场是平坦的( a )，加入物体后的流场是混乱的) b )，覆盖层流场覆盖后的流场是平坦的) c )。这种流场隐身在水下航行器隐身和水下减阻等领域具有重要意义。

图片来源： J Park，JR Youn，YS Song，Physical review letters，2019一样，流场覆盖也越薄越好。为此，我们的团队(香港中文大学徐磊教授研究组)开发出了目前世界上最薄的壶层式隐形衣。我们的设计巧妙结合了双层隐身设计的内层和隐身物，将双层隐身设计进一步缩小为单层隐身设计，实现了最薄的流场隐身服——，其厚度只有中间隐身物的千分之三。如下图所示，根据理论计算，没有物体时的流场是平的( a )，放入物体后的流场是扭曲的) b )，而覆盖我们的超薄流场是隐身后的流场再次平的) c )。数值模拟显示了同样的结果( d，e，f ) )。并且，通过实验验证了在没有物体的情况下，流线变平( g )，放入物体后流线变弯( h )，在物体外披上我们的超薄衣的情况下，流线再次变平( I )。这种超薄穿衣对实现物体近场隐身具有非常重要的意义。

图片来源： Chen，m .Shen，x .Xu，l.(2022 ).The Innovation，100263。

如上所述，自然界中存在光场、声场、温度场、流场等各种物理场。针对不同的物理场可以开发各种隐身服作为有效的反探测手段。这些隐藏服可以单独使用，也可以组合形成面向多个物理场的超级隐藏服。随着勘探手段的日新月异提高，反勘探的隐性研究也随之水涨船高。什么会让新的黑科技由此诞生呢？我们等吧！

致谢：感谢陈梦谟博士、沈翔瀛博士为本论文提供的素材和图片。

文献1. Choi，J. S .Howell，J. C. Optics Express，Vol. 22，Issue 24，PP.29465-29478(2014 ).2. Gunnar Dolling Issue 5，PP.1842-1849(2006 ).3. D. Schurig，et al .Science，314 Jason，et al.naturematerials8(7)，568-571 1310-1314 ) 20114 Physical review letters，106，024301 ( 2011 ).7. J Park，JR Youn，YS Song，Physical review letters，123，23

出品：科普中国

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