科幻中的魔法探秘

陳鯤

隱身術的真面目

在電影《哈利·波特》中，小哈利收到一個披上便能隱身的隱形斗篷，這么厲害的斗篷我們在現實中可以玩到嗎？答案是肯定的。其實隱身材料在生活中并不少見，我們甚至可以在家里制作隱身衣，實現隱身。在了解“隱身術”之前我們首先來了解一下我們是如何看到物體的。當物體表面散射空間中的光進入人眼，在視網膜上形成圖像時，我們便看見了物體，而“隱身術”與此息息相關。根據隱身原理，大致可將“隱身術”分為三種。

○ 葉蟲與樹葉極為相似的形態可以幫助其躲避鳥類的捕殺

第一種隱身方法是使物體散射的光與背景相同。在這種情況下，我們其實看到了物體，只是無法將物體與背景區別開。這種隱身現象大多發生在自然界，是生物進行捕食與自我保護的重要方法。比如葉蟲，它的表面對光的散射與樹葉相同，使得它們在一堆樹葉中很難被察覺，從而躲過外界的攻擊。另外，在實際作戰中，軍人也會通過與環境散射相同光的迷彩服來躲避敵人的偵察。這種“隱身術”一旦換了環境便會失效，但變色龍、章魚等生物卻例外，這是因為它們具有適應性的“隱身術”，可以根據背景環境調節自身對光的散射，從而實現多方位的隱身，但局限于當前的技術手段，這種動態適應的“隱身術”尚未在軍事中實現。

延伸閱讀：變色龍和章魚的“七十二變”

○ 變色龍棲息在樹枝上

○ 章魚潛伏在海底

變色龍和章魚是如何實現“七十二變”的呢？原來，變色龍體表有兩層含有晶體的虹細胞，當變色龍縮放皮膚時，細胞內的光子晶體間距也縮放，使得變色龍呈現出不同的顏色。而章魚可以利用肌肉伸縮體表的色素囊與反光蛋白，從而呈現不同的體表顏色以適應環境。

第二種隱身方法是通過使物體發出的光完全被吸收或者讓散射光散射到其他地方而不進入人眼或者探測器。我們平常所謂的隱形戰機就是通過這種方法實現隱身的。探測雷達向各個方向發射探測雷達波，如果空中存在一架戰機，則一部分散射波會返回探測器，從而發現戰機。如果改變戰機外形或者在戰機表面涂抹吸收光的材料，使散射波無法返回探測器，那么雷達便無法發現戰機，戰機就實現了隱身。

然而，一旦在戰機周圍放置多個探測雷達，甚至利用衛星聯合探測時，隱形戰機便會由于散射波被其他探測器探測到或吸收了探測波，阻礙雷達間的信號傳遞而被探測到。這種情況下，隱形戰機就會隱身失敗。

延伸閱讀：可見光與微波

○ 電磁波譜

我們平常說的光，指的是人眼可以看見的可見光，而雷達波采用的是微波，它們都是電磁波的一種，與其他電磁波均遵循相同的物理規則。

第三種隱身方法是讓探測光繞過需要隱身的物體實現隱身。2006年，美國科學家利用超材料實現了微波頻段的隱身，然而這一方法對材料的電磁參數要求非常嚴格，技術還有待提高。2016年，中國科學家利用金屬與塑料復合構造新型人工電磁材料，這種材料的等效電磁參數與空氣完全相同，因此無法發生任何散射，可以視為自隱身材料。這種材料相當于特定波長范圍內的人造空氣，對于特定波長范圍可以實現全方位隱身，但要求整個物體必須全部由這種材料構成，不能摻雜其他物質。這種自隱身材料可以用在電梯、墻壁等地方。隨著相關技術的不斷提高，未來，這種材料在軍用、民用方面的應用潛力巨大。

○ 散射波無法返回雷達探測器，戰機實現隱身

此外，利用現代計算機的視頻處理能力，Wow Stuff公司通過在手機軟件里內置綠色摳圖，再貼上背景的方式，在手機里完美還原了電影中的隱身效果。國內一些聲稱做出隱身衣特效的，一般也是采用這種方式。感興趣的朋友不妨利用這種方法，自己找一塊綠布，體驗一下如何隱身。

動手做

下圖是一種在家里就可以做的隱身裝置，4面鏡子如圖放置，盡可能做到相鄰的垂直，不相鄰的平行，鏡面相對。光線通過鏡子時，經過4次反射繞開了三角區域，實現了三角區域的隱身。

○ 超材料隱身仿真：電磁波可以經過這種超材料裝置并繞開中心區域，盡管波形上有所波動，但仍然較為完整

超光速可以實現嗎？

在很多科幻電影中，超光速司空見慣，而在已知的科學界中，嚴格的超光速是不可能發生的。自麥克斯韋發現、赫茲證實光與電磁波具有相同的、不變的光速開始，光速不變成為現代科學的基石。盡管絕大多數人相信實物粒子與信息無法超光速，但仍有人孜孜不倦地尋找超越光速的粒子。2012年，歐洲科學家聲稱發現了超越光速的粒子，但之后被證實是實驗誤差。

事實上，無法超越光速是由因果律保證的。最常見的、人們誤以為是超光速的主要有2種：一種是宇宙膨脹速度超光速，而相對論要求的是實物粒子與信息無法超光速，這并不矛盾，空間膨脹速度是可以超光速的，這同時也表明有很大一部分宇宙我們永遠無法觀測到。

○ 隱身裝置和隱身原理示意圖

另一種則是量子糾纏。在討論量子糾纏前，我們先認識一下量子理論的一個基本假設——波函數假設——即粒子在被觀測前是不確定的，一旦我們對其進行測量，波函數便會塌縮成具體的狀態。就好像我們擲骰子前，骰子的點數是未知的，一旦我們擲下骰子，骰子便會呈現出具體的點數。

○ 通過將摳圖算法寫入App，可以在手機里實現隱身（綠布摳圖是最常用的影視特效手段，由于人體不是綠色，以綠布為背景可以幫助計算機快速將背景摳除，換為相應的視覺特效）

○ 量子隱形傳態示意圖

量子糾纏是指兩個粒子存在量子關聯，無論我們把兩個粒子放在多遠的位置，一旦我們測量其中一個粒子狀態，另一個粒子狀態便會確定下來。有好事者稱之為超光速。的確，這種糾纏作用是瞬發的，但也不能稱之為超光速。就好比我們一出生，爸爸便具備了父親的身份。即使相隔萬里，這種身份變化也是瞬發的。量子糾纏的一個典型應用是量子隱形傳態。量子隱形傳態是指利用兩個粒子A和B之間的糾纏作用，假設C、A處于一處，B處于另一處，則C的量子態一部分通過AB糾纏傳到B，另一部分則通過經典通道傳到B，由于必須經過經典通道，因此無法超光速。經典通道的載體可以是光、聲、引力等。量子隱形傳態是量子通信中簡單的一種，研究隱形傳態是實現全球化量子通信的前提。