[hkscience] 隱形「術」

  • From: Nick Lee <lee1nick@xxxxxxxx>
  • To: hkscience@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Mon, 2 Feb 2009 08:20:35 -0800 (PST)

無論東方西方,「隱形術」自古以來都在不少的傳說或神話中出現。這個「術」字,尤其是與「隱形」共用的時候,或多或少帶點「魔術」或「旁門左道」的意思。畢竟,隱形往往是為了去做些見不得人的事,那些鑽研或企圖得到隱形術的人也「順理成章」往往被認為是鼠竊狗盜之輩。

可是,科技從來不因道德而停頓。數年間,科學家已經把隱形術從神話變成科學理論,再把理論從紙張搬到實驗室。儘管離開日常應用還有很大段距離,從前想當然的「魔術」,今日已經是有堅實學術基礎的「技術」。有點令人眼前一亮的是,走在這科技最前端竟是幾位香港學者。

香港科技大學的賴耘、陳煥陽、張昭慶和陳子亭最近發表了一則論文,把隱形的技術再推前一步。要了解他們的研究結果及其科學意義,我們需要回顧這門「隱形科學」的歷史。

首先我們要知道隱形其實是什麼一回事。我們看見一件物件,是因為它把光線反射。可是,要令這物件隱形,並非令到它不反射這麼簡單,這只會在我們眼前製造一個黑影。若要隱形的效果,見不到物件的同時,我們必須看見「躲」在其背後的背景,達到這目的有三種方法。

第一種:要令其隱形,必先令其透明。(廣府話俚語「當你透明」即「不把你放在眼內」,有其意義。)概念上,這方法十分簡單。1897年出版的科幻小說The 
Invisible Man的主角就是發明了一劑處方,吃了之後可以令身體的refractive index(折
射率)跟空氣一樣,光線便會像穿過空氣般穿過他的身軀,既不折射也不反射,達致隱形的效果。空氣的refractive
index是1,一般物質(例如水和人體)的refractive
index卻大於1,因此空氣中的光線碰到物質時會改變路線(反射,折射,或兩者皆有),這也是為何浸入水中的樹枝看上去像屈折了的原因。一件物體的
refractive index就像是對光線的一道「指令」,「告訴」光線碰到其表面之後的路線,如果這物體的refractive
index跟空氣一模一樣,對於光線(和我們的視覺)來說,這物體也跟空氣一模一樣。可惜,這方法知之極易行之極難,科學家唯有另謀他法。

第
二個方法,就是造一個如左圖的外殼,這外殼是中空的,它的特別之處是把光線引導離開中心的部份,任何被這外殼包圍著的物件,不會沾到絲毫光線[備註1]。
離開外殼前,光線會被還原到原來的軌跡,令這外殼及其內在物好像從來沒有出現在我們眼前。想法是這樣,但科學上可行嗎?光的法則容許我們這樣做嗎?科學家
告訴我們,把光線如圖般引導,這外殼需要一個「少於1」的refractive index。上面說過,一般物質的refractive
index大於1,少於1的大自然很難找,要人工製作;這些人造物料泛稱metamaterial,由於refractive 
index「少於1」,它們的光學特性非常獨特,除了製造「隱形外殼」,還有很多其他用途。製作metamaterial又是另一門日新月異的頂尖學問。

2006年10月,一組科學家成功地製作了一個「隱形外殼」,示範了這概念的可行性。[備註2,3]

不過,這技術有一弱點:隱藏殼內的物體是「盲」的,因為與外界光線完全隔絕,就像處於一個絕對漆黑的房間。

所
以,科學家想出第三個方法(也是以上科大學者採取的研究途徑):魔鏡。試想像,你拿著一塊普通的鏡子,當別人看著你的時候,他會看見兩個「你」:一個真實
的「你」,一個從鏡子反射出來的「你」。魔鏡同樣會把光線反射,但其鬼昧之處,在於反射出來的影像會把真實的影像剛好抵消;在觀察者的眼中,魔鏡反射出來
的那個「你」會剛好抵消真實的那個「你」。由於你處身於魔鏡以外,可以接收外界光線,儘管別人看不見你,你仍然可以對身邊事物瞭如指掌。

2006
年3月,一組科學家提出這個「魔鏡」理論,不過他們的「魔鏡」有很大的局限性,實用意義不大。例如,這「魔鏡」只能隱藏一條線,一條理論上沒有闊度只有長
度的線。(把問題由3-dimension簡化至1-dimension,這是物理學家喜愛的做事方式:首先把問題簡化,解決了簡化的版本之後,再研究怎
樣把結果推廣至更複雜的層面。)[備註4]

2008年11月,「魔鏡」技術有了突破。以上四位科大學者發明了一個方法,可以令「魔鏡」隱藏一件物體,一件3-dimensional有長闊高的物體。這,更接近現實。[備註5]

讓我簡略地說說「魔鏡」的構造。「魔鏡」有兩層,裡面一層是空氣(或跟空氣擁有相同refractive
index的物料),外面一層的refractive index跟空氣剛好「相反」,例如空氣的refractive
index為1,外面那一層便是-1。(這是比上面「隱形外殼」的要求更進一步,「隱形外殼」要少於1,不過仍是正數;「魔鏡」要負數。負
refractive
index的物料大自然當然找不到,製造「魔鏡」的功勞又要歸功於metamaterial了。)不過,這結構只能夠隱藏一條1-dimensional
的線,亦即是那個不大實用的版本。

四位科大學者的突破就是在「魔鏡」外面那一層之中嵌入一個「反像」,這「反像」的光學特性和需要隱藏的物件剛剛「相反」,例如我要隱藏一顆骰子,這骰子的
refractive
index是1.5,那「反像」的便是-1.5。因此,這「魔鏡」其實包含了三「層」物質:最內層的像空氣,外層是空氣的「相反」,外層中間再嵌入骰子的
「反像」。由於每件物件的refractive index和形狀都不一樣,這「魔鏡」是要根據需要隱藏的物件而定造的。

科大學者已經用電腦模擬証實了這「魔鏡」的可行性,他們正和一些美國大學合作製作一個prototype來示範,大家拭目以待吧。

雖
然「隱形術」在短短數年有長足的進步,它離開日常應用還有一大段距離。我們日常見到的光線是有多種波長的,但由於製作技術的局限,現時的
metamaterial只對某一個波長的光線才起到作用,例如某個「隱形外殼」或「魔鏡」只對紅光有效,在只有紅光的情況下「當然隱形」,但在有多種波
長的日光照射下便會「忽然現形」了。

科技發展一日千里,說不定明天又有什麼新技術或新理論把「隱形術」再推前一步。

傳說中的「魔術」,現代科技把之變成「技術」;來日這門「技術」成熟並進入日常生活的時候,我們怎樣把之洽當地運用,便是一門「藝術」了。

備註:
[1] 
細心的讀者會留意到,經「隱形外殼」引導的光線所行的路程較外面的光線遠,亦即是說殼內的光線好像超過了光速。其實這並沒有違反相對論;簡單來說,那些被引導的光線並沒有攜帶能量或訊息,所以沒有任何能量或訊息以超越光的速度被傳送。有興趣的讀者可閱讀
 這個很詳盡的解釋。

[2] J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Controlling Electromagnetic 
Fields, Science 312, 1780 (2006).

[3]
D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A.
F. Starr, and D. R. Smith, Metamaterial Electromagnetic Cloak
at Microwave Frequencies, Science 314, 977 (2006).

[4]
G. W. Milton and N. A. P. Nicorovici, On the cloaking effects
associated with anomalous localized resonance, Proc. R. Soc. A 462,
3027 (2006).

[5] 這是賴耘、陳煥陽、張昭慶和陳子亭的論文。Yun Lai, Huanyang Chen,
Zhao-Qing Zhang and C. T. Chan, A complementary media invisibility
cloak that can cloak objects at a distance outside the cloaking shell, 
arXiv:0811.0458 (2008).


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