光學的創新與實虛轉化技術的哲學解讀

陳斯紅　陳孫藝（.于默奧大學物理學院，瑞典于默奧 SE-9087；.茂名重力石化機械制造有限公司，廣東茂名 5504）

光學的創新與實虛轉化技術的哲學解讀

陳斯紅1陳孫藝2
（1.于默奧大學物理學院，瑞典于默奧 SE-90187；2.茂名重力石化機械制造有限公司，廣東茂名 525024）

簡述了光學和實虛轉化技術的發展，光學的技術創新及其在實虛轉化專業的應用包括技術歷程、技術現狀和未來，從哲學的角度提出了對實虛轉化技術現狀的7點認識，包括實虛轉化換代質變、實虛互化循環升級、組合技術的放大效應、量變質變的動態發展、事物的矛盾性和相對性，以及實虛轉化的能動規律，指出存在問題和值得研究的方向。

光學成像 光學隱身 光學幻覺 哲學

北極多彩的自然極光除了給人夢幻般的感覺，也給學者帶來連篇的科技夢想，汪國平教授主講的“從光學成像到光學隱身與光學幻覺”就展示了一場人間高新尖端技術的發展歷程，首先，通過MAXWELL方程組求解光學反問題、進而獲得電磁參數的過程，介紹了隱身斗篷的原理，令人興趣盎然。其次，通過多種照明物體和光學幻覺裝置的解析統一、實現光場調制，進而獲得電磁參數的過程，介紹了光學幻覺的原理，令人拍案叫絕。最后，基于物理過程而避開對材料參數的要求，通過數值模擬和光學實驗證明，正折射率材料同樣可以實現遠程光學隱身及光學幻覺功能，令人浮想聯翩。在這里，姑且稱之為實虛轉化技術。

現實社會中，全世界的小孩都玩捉迷藏，誰都可以一輩子回味兒童游戲的歡樂，那遙遠的隱身實踐何嘗不正是虛實轉化欲望的萌芽。只有城里的小孩體會過哈哈鏡，誰也忘不了神奇的變形曾經的傻笑，那驚喜的背后或許刻下了實虛轉化的烙印。部分小孩可能因為新衣裳而盼望過年，誰也不會否認光鮮的外表何等甜蜜，但是他（她）們基本不會意識到這種化自卑為異彩的幸福里就包含實虛轉化的成份。大多數人對高尖技術的本質難以理喻，捧讀其專著味同嚼蠟，少有收獲。但是，這不妨普通讀者從自我興趣出發，通過不同的角度對自然和人類的創新加以審視和討論，在認識論的海闊天空里遨游。

1　光學的技術創新及其應用

為了紀念千年來人類在光和光應用技術領域的重大發現，提高公眾對光的重要性的認識，推進光在能源、教育、農業和健康方面的發展，聯合國早前宣布2015年為“光和光基技術國際年”［1］。

1.1關于實虛轉化技術的歷程，有很多令人驕傲的成果

圖1　概念的交互關系

在專家學者關于光學理論發展的主線上，1015年阿拉伯學者伊本·海賽姆的五卷本光學著作發表；1815年菲涅爾提出光波理論；1865年麥克斯偉提出光電磁傳播理論；1905年愛因斯坦提出光電效應理論，1915年又通過廣義相對論將光列為宇宙學的內在要素；1965年英籍港人高錕在光傳輸于光纖的光通信方面取得成就，后來獲得諾貝爾獎［1］。英國科學家道爾頓（John Dalton，1766-1844）被稱為天才，原因之一是他對自己缺陷的認識深刻到推動人類的知識，知道自己的色覺問題而請求死后解剖他的眼睛。

在光學知識的普及教育認識上，已知光的形式多種，包括引起人類視覺的可見光以及人眼不能識別的紅外線、紫外線、X射線、γ射線、無線電波和微波。北京大學教授饒毅在科學網上的《色》，通過物理學中色與波長的關系，以及神經生物學中色與感覺的關系展示了視錯覺（Visual Illusion），不是所有的動物都有視覺，植物只有光感而沒有視覺，感光細胞具有高度的敏感性。

在工程技術的主線上，光學材料的發展是從板狀硬性鏡面到纖維狀柔性線條的形態變化過程，也是從原材料直接加工到納米技術復合材料的發展過程，材料表面加工技術也是一條由粗到精的輔線。光功能似乎無窮無盡，應用于圖像信號通訊增強人們的聯系和交流，應用于雜技魔術娛樂人們的生活，應用于夜視、無損檢測拓展人類肉眼的能力，應用于提高光效技術可以限制能源浪費并減少光污染，應用于腐蝕分析可以保護文化遺產，應用于探索未知以了解我們棲息的世界和生存的宇宙［1］，現實中很多豐富多彩的信息被轉化成單調乏味的數字，實虛轉化早已白天黑夜滲透人類社會生活。

1.2關于實虛轉化技術的現狀，有很多進行中的工作

從技術而言，實現了從傳統的變換光學方法的第1代，到光學傳遞函數的第2代，再以這兩者為基礎，拓展到在正折射率材料上實現隱身及幻覺的發展的第2.5代。而量子隱形傳態技術無疑是革命性的全新一代。2015年2月26日出版的《自然》以封面標題的形式公報了中國科技大學潘建偉項目組的“多自由度量子體系的隱形傳態”研究成果［2］，利用單光子非破壞測量技術實現自旋和軌道角動量多自由度貝爾態測量，搭建了6光子11量子比特的糾纏實驗平臺，量子信息可以被瞬間傳遞并被復制，量子物理一個深遠而令人費解的預言邁開了現實的第一步，實現了原來只在科幻中的“超時空傳輸”，證實了愛因斯坦的想象。2009年，他們研制了“量子電話樣機”，并在商業光纖網的基礎上組建了可自由擴充的光量子電話網，實現了“即通及安全”的量子保密電話。國家目前正以此建設世界最長的量子保密通信骨干網絡工程——“京滬干線”，并實施戰略性先導科技專項“量子科學實驗”工程。未來十年，量子保密通信有望走向大規模應用。

從功能而言，實現了從包袱似的立體隱身、到地毯式的平面隱身，從近程幻覺到遠程幻覺，從負折射率材料再到正折射率材料的升級。實現了從音頻到遠程視頻，實現了從電腦模擬到3D打印。3D打印機功能上與激光成型技術一樣，采用分層加工、迭加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體，這是斷層掃描的逆過程，斷層掃描是把某個東西“切”成無數疊加的片，3D打印就是把一片一片的打印疊加到一起，成為一個立體物體，其中的模擬原型也可以通對實物進行3D掃描測量來獲取成像。

從應用對象而言，實現了從單種斗篷到多種斗篷，從斗篷的具體實物到照明物體的概念化，再到把具有折射率材料的范圍從點擴成面覆蓋。顯然，這樣的認識還是感性和表層的。

1.3關于實虛轉化技術的未來，有太多令人鼓舞的課題

在核心技術理論上，光的波粒二象性實質是指其同時具有波動性和粒子性所融為一體的二重性，還是此時的波動性和彼時的粒子性所一分為二的二元性？如果是后者，其轉換是瞬間即現的還是有過程的？轉換過程有哪些影響因素？轉換的條件是如何的？能物理建模或數學建模嗎？還有，云計算能從變幻莫測的極光模擬中提取出規律性嗎？

在關聯技術研究上，無論光學隱幻技術發展得多強大，那還是一門光學。其應用僅僅是刺激人類的視覺而已，這還是一個靜悄悄的世界。那么，把聲學交叉進來，通過對波場波動特性的調制，付之以生動的靈性。無論光學隱幻技術發展得多完美，那也還是一門相對的技術。其基礎強烈依靠照明物的外形結構，這還是一個表面化的世界。那么，把多余的結構撇除，通過對光學數字信號重組技術，彌補照明物輕量化后、與傳統比較的缺失。在工程技術應用上，以光電磁及其傳播理論為基礎，以納米材料及其加工理論為微觀和細觀技術代表，以海市蜃樓及其模擬技術為宏觀典型的研究可成為近期的研究熱點。

2　實虛轉化技術的哲學解讀

2.1實虛轉化換代質變

2008年科學家已宣布他們距離制成可使人類隱身的材料僅有一步之遙。據稱，來自美國加州大學伯克利分校的研究人員開發出了一種新型納米材料，可使3D物體周圍的光線折射后繞過物體，從而達到隱形的效果，研究團隊表示今后將有足夠大的這種材料出現，可使人類隱身。該成果也已經發表在《自然》和《科學》上，其原理主要基于負折射現象，這是俄國科學家Veselago在1968年提出的：當光波從具有正折射率的材料入射到具有負折射率材料的界面時，光波的折射與常規折射相反，入射波和折射波處在于界面法線方向同一側。負折射率材料是在本世紀初才開發出來的，此前負折射現象只能在人不可見的微波波段實現，而新材料則能夠在可見光波段實現負折射。新材料使用納米級網眼結構的銀和鎂氟化物，研究人員表示光線在這種材料中傳播就像水流繞過石頭一樣，結果是從物體正面僅可以看到背面傳來的光線。另一方面，這種材料可以迅速應用于通信和其他領域，例如使用這種負折射率材料制造“超級透鏡”，能夠突破光波衍射極限，觀察到更微小的物體。

應該說，上述報道的技術內容還未超出汪教授講座的范圍，也即由于第1代和第2代最后都要獲取電磁參數實現實虛轉化，這不是技術的質變，只是同一技術的不同技巧。由于第2.5代避開了對材料參數的要求，即使還需要獲取電磁參數實現實虛轉化，但是所依賴的物理參數已改變，已是技術的質變。

2.2實虛互化循環升級

從實物到隱形只是實虛轉化的第一步，其表現是從有到無。從實物到幻覺是實虛轉化的第二步，幻覺（偽裝）多了欺騙，其表現是從有經過原有的無、到了新的有。因此，實現了有→無→有的循環。但是這只是單向循環，或者說是簡單的循環。正如該技術的材料從負折射率材料到正折射率材料的升級一樣，該技術也只有進一步從“實→虛轉化”發展到“虛→實轉化”，也就是從順變到逆變，從單向轉化上升到雙向互轉，雙向簡單循環，才能為“虛?實互轉”打下基礎，混亂中找到一一對應、有條不紊。最終實現雙向復雜循環。否則，就像字體轉換結果的亂碼，宛如天書。但是，虛實互化技術的實現也就同時意味著實虛轉化技術的危機，當對方能虛實轉化時，我方的實虛轉化就失去了意義。這種從無到有、從研發到淘汰的技術生態，究竟是雙向復雜循環的螺旋升級，還是哲學中的物極必反呢？

2.3組合技術放大效應

百多年前，人類進入了機電一體化時代，現在，光機電磁一體化技術已嫻熟應用在社會的各個角落。時髦的管理者常拿1+1＞2來諄諄強調組合的放大作用，古老的傳說也同時告誡人們關于兩個和尚沒水吃的無奈。這是什么原理呢？肯定不是化學反應，但是也不能完全肯定全部是物理作用的結果。也許是組合與混合的微妙區別，或者是局部與整體的正確關系。

可以預見的是，這些正確的組合也不夠了，人類欲罷不能的貪婪終將通過云計算技術把時間這個動態因素、通過納米技術把材料這個靜態因素，也一并深刻地嫁接進去，培育出虛實融化、變幻無常的奇妙世界。科學技術真是第一力。

2.4實虛轉化永遠處于量變質變的動態發展中

這是時代發展的必然。慢吞吞的轉化絕不是隱方的大忌，同樣在野外開闊地隱身，狙擊手的服裝只要隨環境漸變，但是有時也要隨強光劇變。任何劇變就意味著超大規模量的計算或微元。幻覺還分為靜幻和動幻。浙江大學是國內光學研究的佼佼者，研發的光學隱形材料——光在該裝置內“轉彎”，但穿過裝置后仍按原來的方向傳播。據研發人員透露，下一步就是要讓這種材料也能讓電磁波“轉彎”。據悉，浙大的“光學工程”在全國95個“一級學科”中排名第一。實虛轉化技術的動態既包括技術自我發展，也包括技術應用環境的適應性。春夏秋冬的全球地理，白天黑夜的世界風貌，前身后世的高山海洋，該技術都能貼切服務、運用自如嗎？

2.5實虛互化技術反映事物的矛盾性

矛盾是事物發展的動力源泉。戰爭對安全的需要與現實有矛盾。那么，從周邊環境實時取樣，分解其構成編程成模塊，使得戰艦可與大洋波濤實虛互化，戰機可與藍天云彩實虛互化，戰車可與山林灌木實虛互化。交通對安全的需要與現實有矛盾。那么，從事故環境的車水馬龍時段實時取樣，在環境的事故多發時段連續播放，從虛到實強烈提示安全標識，引導過往人車秩序井然。而奔馳工程師研制的隱形奔馳將不可避免地發生嚴重相撞事故，現實還有人對其充滿癡迷，認為可以在任何地方停車而不用擔心被開罰單。不過，也許要賠的是癡迷者的生命。青春對美麗的需要與現實有矛盾。那么，從本人的臉龐掃描取樣，分解其色素組織編程調制，使得紅逗暗瘡可與紅粉嬌嫩實虛互化。奧運會對健體強魄的精神與巨額投入的現實需要有矛盾。那么，從虛到實轉換出一盤不耗燃料的熊熊圣火來興奮大眾吧。公園對著名景觀的需要與現實有矛盾。那么，從虛到實塑造一個遠隔千山萬水的風暴名勝來過把癮吧。觀眾對晚會魔術的需要與現實有矛盾。那么，從虛到實塑造一個翻天覆地的英豪來崇拜吧。

2.6實虛互化技術反映事物的相對性

從物質的層面來說，虛與假兩個概念沒有什么區別。發散思維中的哲學使概念的創新形成原理的創新，具備相對性。以實虛來分析，與真假就不等同，有實的真和實的假，例如空中的彩虹和色盲，也有虛的真和虛的假，例如鏡中花和影視作品中的穿越。實虛真假構成了圖1所示的12種概念關系，如果再把有和無這兩個概念加進去，則可產生20種相對的概念關系。如果進一步把空這概念加進去，就更多概念關系。因此，從哲學的角度來說，概念的組合相互促進發散。

光學的三原色也具有相對性，自然界以紅、黃、藍為三原色，計算機則以紅、綠、藍為三原色。這是因為人眼接收到的光線本來就有兩種類型：一種是反射光或透射光，另一種是光源直接發出的光。我們在自然界中看到的大部分物體都是因為反射光或透射光的作用，而計算機顯示器上出現的色彩則是光源的作用。因此出現兩種“三原色”沒有孰對孰錯，只是相對的光源類型不同而已。那么，當打印電腦中設計的彩色模型時，是否要把綠色轉換成黃色才有等同的視覺效果呢？

2.7實虛轉化技術的能動規律

實虛互化技術不僅被人類掌握，也屬于動植物的生物技能。動物在實踐中主動演化自己，通過偽裝伏擊獵物，通過扮妝吸引異性或恐嚇競爭對，這成功的背后沒有主動的認識嗎？禾雀花模擬禾花雀，蝴蝶蘭模擬蝴蝶，而蝴蝶又模擬生存環境中各種花的圖案，蘭花螳螂、魔花螳螂和刺花螳螂則已分不清是動物模擬植物，還是植物模擬動物，這相互依賴的背后肯定包涵著智慧。

水中的章魚帝可以從形和色兩方面協調雙變，不可一世；地上的變色龍雖則有的進化與樹枝近形，但大多在危急時就只能以色隱形，或者就在茫茫沙漠中枯懆一世；而空中短命的彩蝶居然懂得變

……

……換翼面單色微粒的排列間隙來折射光線，從而表現出不是顏色的艷麗，這也符合前面所述的兩種三原色的原理，不枉此生。因此從廣義而言，人類并不是納米技術的發明者，動植物要積極主動得多。可憐的是，憤怒小鳥受玻璃幕墻實物虛景的欺騙，不撞南墻不回頭、撞了南墻頭破血流，悲慘一生。因此，在實虛轉化技術的研發應用中，人類不但需向生物虛心學習，還需要檢討如何尊重自然，發揮更大的主觀能動性。

3　結語

盡管實虛轉化技術通過動植物和人類早已滲透到歷史的方方面面，但是這還只是一個技術方向而尚未成為一個專業，當前分散的研究無非是東敲西打而已，光學不等于實虛轉化學，后者的框架構建尚未見棟梁和立柱，無論其在應用上雜耍得多么漂亮，手段再怎么五花八門，都只是在某個方向的小圈里轉悠而已。大多數科學家認為，約有四分之三的宇宙正在以暗物質和暗能量的形式消失，而這兩者目前都沒被直接觀察到。人類怎能用眼看到暗呢？武俠小說里的奇門遁甲曾幾何時引起青少年的好奇與懷疑，相信這項魅力技術吧，趕快加入到實虛互化的技術團隊中，跟蹤光學隱幻技術，開創山川河流和風云雷電的模擬，促進仿真與模擬的常態化，升級錢學森先生的《工程控制論》，引導我們穿越時空，去為造福生命星球而創新。

［1］余文.2015年是“國際光年”［N］.羊城晚報，2015.3.10，B5.

［2］微微.“瞬間移動”離我們越來越近［N］.羊城晚報，2015.3.28，B5.

陳斯紅（1992—），女，廣東化州人，大學在讀，研究方向：電子物理。