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隐身技能真的快实现了吗?

来源:原创 编辑:admin 时间:2018-02-08 17:51
隐身技术真的快完成了吗?

原标题:隐身技巧真的快完成了吗?

利维坦按:天然界中有两种我们兴许听过的变色动物——章鱼和变色龙。前者经过感光细胞调节体内色素达到变色,后者经过表面的纳米晶体结构折射光线。

2012年12月初,加拿大Hyperstealth Biotechnology科技公司声称掌握了一种“量子隐形(Quantum Stealth)”,并宣称该技术失掉了美国与加拿大两国军方的支持。下图为官方产物展示照片:

这是一家成破于1999年的科技公司,重要产品是军用迷彩服装,至今已经为约旦、智利、阿联酋等地生产了大量的迷彩服。但对前文说起的“隐形衣”,官方只给出了大批看上去模棱两可的照片。曾有记者就此事给五角大楼发去咨询,但并未失掉回应。相对靠谱的是下文中提到的几多个攻破,诚然离“隐形衣”还很遥远,但至少能让人看到了未来的可能。

文/Michio Kaku

译/杨睿

校正/石炜

在《星际迷航4:抢救未来》中,进取号的船员成功劫持了一艘克林贡战斗巡洋舰。如果你不是《星球迷航》的铁粉,不太清晰这件事意味着什么,请听我娓娓道来:星际联邦是人类与众多爱好战斗的外星种族一同组建的战役联盟,而克林贡是一个好战的外星种族,站在星际同盟的友爱面。克林贡船上有一种秘密的“隐形装置”,能让整个飞船在光或雷达下隐形,在伏击联盟星舰时就很容易全身而退。知道了这些之后,你就该清晰朝上进步号成功劫持一艘克林贡船是多么宏大的创举!

图源:Heyday Films

现在,让我们从影视作品回到现实,美高梅官网。这样的隐形设备真的可行吗?从很久以前开始,美高梅官网,隐形一直是科幻小说和幻想世界的异景之一。从英国科幻小说家乔治·威尔斯(H.G. Wells)笔下的《隐身人》(The Invisible Man)到《魔戒》,再到哈里·波特系列,很多作品中都浮现了隐身的元素。然而,公海赌船710,物理学家却动摇认为隐形是不可能完成的,他们声称隐形违反了光学法令,分歧乎已知的物资特点。

但明天,不可能成为了可能。“超材料”(metamaterials,又被称为左手材料)取得了新进展,这种天然材料可以在某种意思上操纵光的挪动,它的出生让光学教科书不得不结束重大的勘误。这类材料的原型已经在实验室中成为事实,引起了媒体、工业和军方的浓厚兴趣,他们迫切地想要晓得可见物若何可以隐形。

现代光学真正开端于19世纪中叶,苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)获得的成就是开启这段古代光学史的主要里程碑。两个世纪前的剑桥见证过牛顿的发现;两个世纪后,剑桥又见证了麦克斯韦的成就。麦克斯韦是一名数学物理系的师长教师,成绩十分出众。微积分是牛顿的创造,应用微分方程来描写物体在时空中运动的方法。麦克斯韦在数学货色的帮助下开始探索电磁学的本质。

物理学家法拉第发明电可以生磁,磁也可以生电,电和磁都可以被看作一个“场”(理科的你还记得右手螺旋定则吗?)。麦克斯韦用正确的微积分语言重写了法拉第的场概念,掉失落了8个看起来很难的微分方程,这个“麦克斯韦方程组”是现代科学中最重要的系列方程之一(任何一个想要把持电磁学物理学家和工程师,都必须翻过这座大山)。

接上去,麦克斯韦问了自己一个重要的成绩:变化的磁场会发生电场,反从前也如斯,那如果这些场永不连续地彼此改变,会发生什么呢?麦克斯韦发现,电磁场在空间中稳固的方式很像是海上的波浪。他打算了波的速度,惊疑地发现它即是光速!1864年发现这一现实后,他写下了这样一句预言式的话:“波的速度如此濒临光速,我们好像有充分的因由得出这样的结论:光自身......就是一种电磁搅扰。”

这可能是人类汗青上最巨大的发现之一。人类第一次揭开了光的神秘面纱。麦克斯韦突然认识到,日出的壮不雅、朝阳的余晖、彩虹的色彩斑斓和穹苍中的星星都可以用波来说明。来日我们才意识到,无线电波,包含广播频率和雷达、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线,全部电磁波谱都能用麦克斯韦光的波动实践来描述。

麦克斯韦的光学实际和“一切事物由原子构成”的观点为光学气象供给了简单的阐明,为隐形奠定了基础。举例来讲,大多数固体都不透光,因为光线以波的形式传播,无法经过固体中致密的原子结构。比拟之下,许多液体和气体是透明的,是因为可见光的波长可以更轻易地经过陈列松散的原子之间较大的裂缝。钻石和其余晶体是一个例外:它们既是固体,又是透明的。这是因为晶体的原子固然包裹得很紧,但它们陈列成精确的格状结构,为光束经过供应了许多通道。

根据麦克斯韦方程组,隐形这种性质必须发生在原子层面。即便隐形成为可能,要借助个别手段重复完成隐形成果也是无比艰难的。要想像哈利·波特一样隐身,你必须煮沸、液化他,使他结晶,再次加热后冷却他。即使是对一名巫师来说,一切这一切都是很难完成的。

光线从真空(左上角)进入原子构造更密集的透明介质中,光的速度减慢,标的目的改变:光的流传门路转变,或酿成折射。材料越致密,光芒传播得越慢,偏折的角度也越大。所以光在钻石中比在水中偏折得更多,在空气中传布时几乎不产生偏折,公海赌船710。在自然介质中,光的偏折绝不会发生在图中假想线(虚线)的左侧。要做到这一点,介质必需具有所谓的负折射率。当初,这一妨碍已经被称为超材料的特别天然材料攻破了。光的年夜幅偏折不再只是沉默寡言。图源:jacdepczyk.com; netcells.net

当然,除了改变某人或某物的原子结构之外,还有其他的光学手腕。目前,隐形研究的核心是把持“折射率”。把手放进水中,或是透过眼镜镜片看东西,你会留心到水和玻璃改变、波折了普通光的路径,这就是折射。光辉进入致密的透明介质时,速度减慢。但在真空中,光速始终保持不变。给定材料的折射率=光速÷介质内较慢的光速。因为光速÷光速本身=1,因此天然材料的折射率总是大于1(天然介质内光的传播速度<光速)。某种材料的折射率凡是是一个常量:光进入给定物质(如玻璃)时,以特定的角度发生偏折,持续沿直线传播。

伦敦大学皇后玛丽学院的教养Yang Hao领导团队完成了一个用于“隐形”的金属板,板面覆盖有7个折射率成梯度陈列的超薄覆膜,用以折射电磁波来隐藏物件。图源:cnn

但是,如果咱们可以随意控制折射率,比喻说,让玻璃中光的传播以点到点的方式一直发生变更,结果会怎样?假如一束光可以像蛇一样在构成物体的原子周围爬行,创造本人的路径,沿光线进入的同一条直线分开材料,那这个物体可能就变成不可见的了。为了做到这一点,物体需要以特殊的方式使光发生偏折,这就需要应用负折射率的介质。畴前几十年来,一切光学教科书都说这种负折射率的介质是不可能存在的。但是,到2006年,位于北卡罗来纳州达勒姆的杜克大学普拉奸细程学院和伦敦帝国理工学院的研究人员胜利挑衅了传统的认知,经由利用超材料把持折射,完成了物体在微波辐射下的“隐形”。

科学家们设计了一种超材料,这种物质存在造作界不存在的光学性质。微软前首席技术官内森·梅尔沃德(Nathan Myhrvold)表现,超材料“将彻底改变我们对待光学和电学简直所有方面的方式......(它们)可以完成几十年前还被看作奇观的壮举”。

杜克大学工程师制造的这种超材料依靠于渺小的植入组件,这些植入组件迫使电磁波以特殊的方式发生偏折。微型电路嵌入到与电炉线圈相似的齐心圆铜圈里,如下图所示。这些植入组件是陶瓷、聚四氟乙烯、纤维复合材料和金属制成的混淆物,可以在设备到处以特定的方式引导微波辐射改变传播途径。植入组件内部的小铜圆柱体不能被微波辐射检测到。但它确实投下了一片极小的阴影。真正的隐形需要消除一切反射和阴影。

要理解辐射在超材料装备周围发生偏折的情形,可以设想一下河流绕过石头的方式。水迅速绕过石头,石头是看不见的。异常,超材料可以连续改变、偏折波的传播路径,使它们绕着圆柱体活动,基本上可以使圆柱体内的所有东西在微波下不成见。

杜克大学工程师开发的隐形设备:这种设备利用超材料在微波频率下完成了隐形。每个部件高1cm,全部约十英寸(25.4cm)宽。嵌入齐心环中的微型电路使微波辐射的路径发生偏折,电磁波围绕隐形装置活动,完成了装置和被放置在装置中心的物体的“隐形”。图源:杜克大学

但凡来讲,植入这种超材料内的内部结构必须小于须要重新定向的波长。例如,要使波长为3cm的微波发生偏折,超材料内嵌入的植入组件必须小于3cm。但为了让物体在波长为500纳米的绿光下不偏见,嵌入超材料中的植入组件长度就必须仅为50纳米支配。(一纳米等于十亿分之一米,大略能容纳五个原子。)建立多么的原子级结构需要非常提高的纳米技术,是现代工程面对的局限。消除这些局限可能是工程师制作真正的隐形设备时面临的关键成绩。

计算机芯片行业已经开始使用纳米技术,在更小的范畴上完成更好的性能。实验室发布制成超材料之后,这一领域的活动无比活跃,每隔几个月就会呈现新的见解和惊人的打破。科学家的目标是要开发出可以令可见光发生偏折的超材料。微波隐形只是个开始。

半导体行业的发展增进了新型超材料的诞生。“光微影术”或“光学光刻”(optical lithography)技术使工程师能够将数亿个微型晶体管放在比指甲盖还小的硅片上。科学家们使用紫外线辐射将更小的组件“刻”到硅芯片上。今朝,光刻工艺能够完成的最小组件约为30纳米(约150个原子)。

利用光刻技术,科学家发现了第一种针对可见光的超材料:2006年底,德国科学家和美国能源部(DOE)的科学家宣布他们制造出了历史上首个可在红光下隐形的超材料。他们是如何把“不可能”变成可能的?美国动力部爱荷华州艾美实验室的物理学家科斯塔斯·苏库勒斯(Costas M. Soukoulis)、德国卡尔斯鲁厄大学的冈纳·道林(Gunnar Dolling)、马丁·瓦格纳(Martin Wegener)和德国卡尔斯鲁厄研究所的史蒂芬妮·林登(Stefan Linden)共同。他们在一块玻璃片上涂上一层薄薄的银涂层,然后再是氟化镁和另一层银涂层,最后构成只要100纳米厚的氟化物“夹心三明治”。接上去,利用标准光刻技术在三明治中刻出大批宽100纳米的方形孔,形成和鱼网类似的网格图案;而后让波长为780纳米的白色光束穿过材料,测量失掉其折射率为-0.6。(在此之前以前,超材料偏折的最小波长为1,400纳米,不在可见光谱内,属于红外线范围。)

物理学家预见了这种隐形技术的良多利用。苏库勒斯说,超材料“可能有一天会让我们开发出一种在可见光谱范围内起隐形感召的平面超透镜,这种透镜的分辨率比传统技术要更高,可能捕获比光的一个波长更小的细节。”这种“超透镜”的突破性应用将包括微不雅观物体的拍摄,如活体细胞内部的拍摄。这种超透镜的明白度无可比拟,有望使胎儿疾病的早期诊断成为可能。在空想情况下,人们不必使用笨拙的X射线晶体学就可以拍摄DNA分子的清楚照片。

到今朝为止,苏库勒斯的团队只实现了红光折射。下一步是要发明一种能将物体四周的红光完全折射的超资料,完整完成物体在红光下的隐形。

隐形研究的另一个领域也让人们看到了渴望:光晶体管。“光子晶体”技术的目的是创建一个用光不用电的芯片来处理信息。这需要使用纳米技术来光刻、模制晶片上的微小部件,使每个部件的折射率都产生变革。

和一般晶体管比较,光晶体管领有很多优点。例如,光子晶体的热损失更少。(高级硅芯片产生的热量都可以炒鸡蛋了。芯片必须持续冷却,但坚持晶体冷却的成本异样高。)我们毫不意当地发明,光子晶体科学可能完善地用在超材料上,这两种技术都涉及到纳米规格上操纵光折射率的成绩。

罗切斯特大学的博士生Joseph Choi,用四个凸透镜组成了一个可以隐藏特定位置物体的隐形透镜组。图源:罗切斯特大学

此外一个研究团队在2007年年中宣布,他们制造的超材料运用了完全不合的“等离子体光子学”技能。加州理工学院的物理学家亨利·莱泽克(Henri J. Lezec)、珍妮弗·戴恩(Jennifer A. Dionne)跟哈里·阿特沃特(Harry A. Atwater)开拓了一种超材料,这种材料对可见光光谱内隐形难度更大年夜的蓝绿色区域折射率为负。光子晶体将光束困在晶体内部,等离子体利用的是与光束同速的电子(电子也像光子一样,是一种波)。

等离子体光子学的目的是要将光的快速信息承载才干“挤压”成纳米级的空间。金属导电是因为电子蓬松地与金属原子结合在一起,它们可以在金属名义自由移动。家用电线中活动的电流只不过是疏松联合的电子在电线的金属名义平稳活动而已。但在某些条件下,与金属表面碰撞的光束可能会在金属表面发生电子的波动,这被称为等离子体。等离子体的稳定与原始光束振动分歧。更重要的是,可以“挤压”等离子体,让它们仍然与原始光束同频(从而携带等量的信息),存在更短的波长。原则下去讲,可以将被挤压的波束填充到纳米线上。与光子晶体一样,等离子体光子学的终纵目标是要制成用光电而非单独用电的盘算机芯片。

加州理工学院利用两层银开辟了一种超材料,在两层银之间有500纳米的硅-氮绝缘物质,公海赌船710,由金、银涂层的纳米级棱镜阻断。棱镜被仅为50纳米的氮化硅分辨开来,氮化硅是可以改变等离子体波标的目标的“波导”。激光经过超材猜中刻出的两道狭缝进入、离开隐形装置。经过分析激光在穿过超材料时发生偏折的角度,我们可以验证光线是否以负折射率发生了偏折。

白线表示右侧光源发出的光线到达超材料隐形装置(蓝色环状物)的路径。蓝线表示隐形装置的超材料在需要隐形的物体(黄色圆圈)四处改变光线的路径;站在左边看的人并不知道光线从光源出发并不直接到达左侧。右侧的观察者也不克不及检测到物体的存在,因为它不会反射光或投射暗影。图源:jacdepczyk.com; netcells.net

正是由于科学家对光晶体管充满了浓重的兴致,超材料的进展才会越来越快。隐形研究能够借助光子晶体跟等离子体的研讨。为了发明出更小、更快、温度更低的芯片调换硅芯片,这两个领域已经有上亿美元的巨大投入。更新、更好的超材料总有一天会“自破门户”。

每隔多少个月,这一范畴就会取得一些冲破。一些物理学家预言:在不久的未来,试验室将创造出真正的“隐形大氅”。如许的主张并不奇怪。迷信家们信心满满,信赖在将来几年,他们将开发出一种超材料,让物体在可见光的某种频率下完全隐形,这种隐形至少能在二维平面完成。只有改变微型纳米组件的通例摆设方式,变得更加庞杂,才能让光线润滑地绕着物体发生偏折。

下一个挑战不再仅仅局限于二维平面,而是要开发出可以在三维空间中让光偏折的超材料。制造平面硅晶片的光刻技术以臻完美,但开发三维超材料还需要更复杂的过程和技术。

在那之后,科学家还需要开发能偏折多种频率光的超材料。这可能是最艰巨的任务。迄今为止,科学家设计的微型植入组件只能让一种准确频率的光发生偏折。科学家可能必须开发出多层超材料,每层都能感化于一种特定频率的光,才华偏折多种频率的光。遗憾的是,科学家常设还不清楚要若何处置这个成绩。

隐形装置什么时候会走进市场,进入我们的生涯?科幻迷们请耐心等待。不外,即使隐形安装真的进入了日常生活,美高梅官网,第一代装置想必也非常笨重。哈里·波特的隐形斗篷是由薄而软的布料制成的,能让任何藏在披风里的人隐形。为了做到这一点,布料的折射率必须以异常复杂的方式一直变化。这是不现实的。第一件真正的隐形斗篷最可能是由超材料圆柱系统成的。这样的话,折射率就是固定的。更高等的版本才可能利用愈加娇嫩的超材料让光线流向精确的路径。这样一来,穿斗篷的人能力享有一定程度上的举措自在。

别忘了,隐形斗篷还存在一个固有的毛病:穿斗篷的人如果要睁眼看着斗篷外面,他就无奈完全隐形了。想像一下哈里·波特整个身体都隐形了,只要眼睛还淹没在半空中的场景。斗篷外的人能清晰地看到穿斗篷的人的眼睛。想要让他们完全看不见,哈里·波特必须紧闭双眼、全体人都罩在斗篷下面(在眼睛附近增添两个成小角度摆放的玻璃片也许能处理这个成绩。玻璃片会分别撞击玻璃片的那一小部分光线,将该光线偏折到眼睛里。和斗篷碰撞的大部分光线仍旧会绕过它,完成隐形;只要极少数量的光线会发生转移,让人看见)。这重重困难令人生畏,但科学家和工程师仍然达观地以为,不论能否与克林贡船媲美,人类都能在二三十年的时间里开发出现实生活中的隐形装置。不仅如此,还有许多其他的设想会被人类变成现实。到那一天,书本纸张会变成什么样?特殊材料会开展到什么水平?让我们拭目以待。

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