眼見未必為實的光學隱身技術

徐林 陳煥陽

人們常說“眼見為實”，但有時候事實并不是我們所看到的那樣。利用物質材料來控制光的傳播，使光能按照人們的意愿行走，是當今光學研究領域的熱點，其中一種應用就是“光學隱身”。現在讓我們看看光學隱身技術究竟有哪些呢？

學習自然界的保護色

自然界中有很多動物，身體的顏色與周圍環境很相似，這叫做保護色。這種保護色能幫助它們隱藏行蹤，躲避天敵，使它們在這個弱肉強食的世界里擁有自己的一席之地。其實這就是一種很有效的隱身技術。受此啟發，人們發明了迷彩服。當士兵們穿上這種衣服在自然環境中行軍作戰時，由于衣服與環境色彩相近，不會輕易被敵方發現，從而達到保護自己的目的。

減少反射信號

我們之所以能看到物體，是因為載有物體信息的光信號到達了我們的眼睛。減少物體的反射信號也是一種隱身技術。在現代戰爭中，雷達就是人的眼睛，它能看到電磁波（光也是電磁波）。如何有效地減少軍事目標的反射信號，讓雷達“看不見”，也早已成了各國競相投資研發的焦點。第一代隱形飛機，如F-117“夜鷹”隱形戰術轟炸機，它的機身被設計成折面結構，使得入射的電磁波信號無法原路返回。這樣雷達就接收不到反射信號，無法探測飛機的信息，從而實現了飛機的隱身。而第二代隱形飛機，如B-2“幽靈”隱形戰略轟炸機，它的表面是一種能夠產生等離子體的涂料。在飛行中，由于該涂料的存在，飛機周圍會形成一層帶電薄膜（等離子體），能夠吸收或散射掉雷達發出來的電磁波信號，這樣雷達接收不到反射回來的電磁波，該飛機也就實現了隱身。使用了隱身技術的轟炸機在戰爭中能夠神不知鬼不覺地打擊敵軍的重要目標，起到了“百萬軍中取上將首級”的作用。

將自己變得透明

在英國作家威爾斯創作的科幻小說《隱形人》中，主人公發明了一種方法，使得自己的折射率均勻分布并且跟周圍環境一樣，對光沒有散射和吸收，這樣他便變得“透明”了，別人就看不到他了。仔細一想，那么一個球狀的空氣體在空氣中不也是透明的嗎？答案是肯定的。把自身的折射率變成和周圍環境一樣，的確是很簡單的實現隱身的方法。這種透明的隱身辦法還可以存在于有折射率梯度變化的物體中，它就是“看不見”的球。這類球表面的折射率和環境一樣，越到中心折射率越大，使得入射的光線不斷偏折。當光線繞球心一圈離開球時，光線的傳播方向和位置與來時的保持一致，從而使得球變得透明了，也就實現了隱身。但是這樣的設想還只是停留在理論的探索之中。

從幻想變為現實的隱身衣

“看不見”的球能使自己隱身，其實有的東西除了能使自己不被看見，還能讓藏在它里面的東西不被發現。“哈利·波特”系列小說中就有神奇的隱身衣，主人公穿上它可以隱蔽行蹤。而在現實中，科學家們確實設計出了具有隱身功能的“衣服”，被隱身衣包裹的物體可以避免被外界觀察到。是什么原因使這件衣服能夠具有這種功能呢？原來，隱身衣是根據變換光學的方法精心設計的。它的每個地方的光學性質都是不同的，就像沙漠中能夠產生海市蜃樓現象的空氣層一樣。當光照到它時，它會慢慢地偏折光的傳播方向，然后再逐漸扳回光的傳播方向。當光離開隱身衣的時候，它的傳播方向就和來時一樣，而且光也沒有損耗。對于外界的觀察者來說，光線好像是沿直線傳播過來的，給人的感覺就是看不到隱身衣和它里面的物體。

制作隱身衣的材料性質很復雜，一般有兩種，分別是各向異性和各向同性的材料。對于各向異性的材料來說，它在各個方向上表現出來的光學性質不一樣。能實現隱身的各向異性的材料是由比光波長小很多的微小結構組成的。利用這樣的微小結構，科學家們已經在電磁波的微波頻段制備出簡化了的隱身衣，并且證實了它的隱身效果。而對于各向同性的材料來說，它的折射率是漸變的。由于這種隱身衣對折射率變化的范圍要求比較高，目前很難在實驗上制備。值得一提的是，已有相關報道稱可以優化這種材料的折射率，降低所需折射率的最大值，希望不久的將來可以真正看到這樣的隱身衣！

光的折射

當我們將筷子伸進裝了水的杯子里，筷子似乎在空氣和水的交界面處斷了。這是因為光在傳播過程中發生了折射，改變了傳播方向，從而“欺騙”了我們的眼睛。光在均勻物質中是沿直線勻速傳播的，就像運動的物體不受外力時保持勻速直線運動一樣。在不同的物質中，光的傳播速度是不同的。人們一般用折射率表示各向同性物質的光學性質。折射率越大表示光的傳播速度越小。真空環境的折射率是1，空氣的折射率約等于1，水的折射率約是1.33。在空氣和水的界面處，光會發生折射現象，使得光線的傳播方向突然發生偏折，并且偏折角滿足折射定理。這樣就出現了水中的筷子仿佛斷了的現象，其實這是一種錯覺。

聽了有關隱身的故事，你是不是覺得這個世界很奇妙？我們看到的東西有可能并不是真的，假象可以欺騙我們的眼睛，但是千萬不要讓它影響我們的判斷力。