自古以來(lái)人類就想象一種隱身的能力，" 隱身 " 至今仍時(shí)常出現(xiàn)在文藝作品或者電子游戲中——往往是以魔法或者科幻的形式出現(xiàn)。風(fēng)靡全球的《哈利 · 波特》中主人公的那件隱身斗篷就滿足了我們對(duì)隱身衣的幻想。實(shí)際上，這種能讓光 " 穿過 " 身體的光學(xué)隱身衣已經(jīng)被研發(fā)出來(lái)。不僅如此，科學(xué)家對(duì)于物質(zhì)在不同物理環(huán)境下的隱身都進(jìn)行了廣泛而深入的探索，由此構(gòu)造了不同類型的隱身衣，絕對(duì)超出你的想象。

撰文 | 徐磊（香港中文大學(xué)物理系教授）

實(shí)現(xiàn)隱身一直是人類身自古以來(lái)的夢(mèng)想：從《西游記》中孫大圣的隱身術(shù)到《哈利波特》中哈利的隱身斗篷，這一夢(mèng)想受到全世界人們的廣泛關(guān)注。隱身在狹義上僅僅指用眼睛看不見，更廣義的隱身則不僅僅局限于眼睛，而是泛指使用某一探測(cè)手段（如雷達(dá)、聲吶）無(wú)法探測(cè)到，就稱之為在這種探測(cè)手段下隱身。實(shí)現(xiàn)隱身在軍事上有重要的應(yīng)用，比如隱身飛機(jī)、隱身艦艇等可以悄無(wú)聲息的接近目標(biāo)，因此隱身技術(shù)成為各國(guó)在軍事領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類隱身衣在許多不同物理場(chǎng)中成功實(shí)現(xiàn)，并且持續(xù)成為不同領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隱身衣的原理是什么？都有哪些不同的隱身衣？它們是怎樣被實(shí)現(xiàn)的？如果有朝一日可以穿上隱身衣，你打算給親朋好友一個(gè)怎樣的驚喜（驚嚇）呢？假如你對(duì)這些問題感興趣，這篇文章就是為你精心準(zhǔn)備的 。

隱身衣的工作原理

欲要實(shí)現(xiàn)隱身，讓我們先了解一下為什么我們可以看見。一種比較普遍的情況是：物體反射或散射的光線進(jìn)入我們的眼睛，從而可以看見物體（如下圖所示）：

初中物理課本（人教版）

知道了這個(gè)原理，不禁讓人生出一個(gè)大膽的想法：如果一件衣服可以把光線完全吸收而不反射或散射任何光線，是不是就可以隱身了呢？眾所周知，黑色可以很好地吸收光線，穿一件超級(jí)黑色的斗篷覆蓋全身（如下圖所示），是不是就可以到大街上為所欲為了？事情可遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有這么簡(jiǎn)單。

《蝙蝠俠：俠影之謎》劇照

很明顯，雖然在上圖中蝙蝠俠的黑衣吸收了所有光線，但是跟明亮背景的對(duì)比卻把蝙蝠俠徹底暴露，所以僅靠吸收光線無(wú)法實(shí)現(xiàn)隱身。

既然物體對(duì)光線的反射、散射、吸收都會(huì)暴露它的位置，那怎樣才能實(shí)現(xiàn)隱身呢？哈利波特的隱身斗篷為我們提供了正確的思路（如下圖所示）：

《哈利 · 波特與魔法石》劇照

圖中，哈利波特的隱身斗篷實(shí)現(xiàn)了既不反射和散射光線，也不吸收光線，而是讓光線絲毫不受影響的按原路傳播。當(dāng)哈利周圍的光線可以自由通過他的身體不受任何影響時(shí)，他的身體就憑空 " 消失 " 了——我們可以清楚看到他身后的背景墻卻看不到他的身體。所以，設(shè)計(jì)隱身斗篷的基本原理是使光線的傳播不受物體影響。

原理雖然簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)卻是難題：因?yàn)榻^大多數(shù)物體都是不透明的，光線無(wú)法穿透它們繼續(xù)傳播。怎樣讓光線不受物體影響呢？目前的基本思路是設(shè)計(jì)一層特殊結(jié)構(gòu)的材料包裹物體，而這層特殊材料可以讓光線繞過物體并沿著原來(lái)的傳播路徑繼續(xù)傳播（如下圖所示）。這層特殊結(jié)構(gòu)的材料就是隱身衣。

動(dòng)圖來(lái)源：gfycat.com

如何讓光線繞過物體？普遍的做法是先從理論上計(jì)算所需的折射率，然后尋找具有這種折射率的材料從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。一種重要的理論計(jì)算方式是 2006 年倫敦帝國(guó)學(xué)院的 John Pentry 教授及其合作者提出的變換光學(xué)理論。其關(guān)鍵在于利用坐標(biāo)變換的方式將一個(gè)體積為零的點(diǎn)變換成一個(gè)體積非零的區(qū)域，并將物體隱藏在這個(gè)特殊區(qū)域中。由于體積為零的點(diǎn)對(duì)光線傳播不會(huì)產(chǎn)生任何影響，它變換出來(lái)的特殊區(qū)域也會(huì)有類似的性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)光線繞過物體的效果，具體折射率參數(shù)可以從坐標(biāo)變換中求出，如下圖所示：

John Pentry 教授

空間變換：將點(diǎn)變換成一個(gè)區(qū)域

所以隱身衣的本質(zhì)就是，制造一個(gè)光線會(huì)繞過的區(qū)域并把物體隱藏其中，從而實(shí)現(xiàn)隱身。這種方式已經(jīng)可以在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，比如用幾個(gè)透鏡制造出一個(gè)光線會(huì)完全繞過的區(qū)域，當(dāng)把物體放入這個(gè)區(qū)域時(shí)外界完全無(wú)法探測(cè)到。怎么樣，這個(gè)特殊空間可謂躲貓貓神器吧？你是否也想擁有并利用它實(shí)施一些大膽的計(jì)劃呢？

動(dòng)圖來(lái)源：Choi, J. S., & Howell, J. C. Optics Express ( 2014 )

不同類型隱身衣的實(shí)現(xiàn)

這種利用透鏡制造出的隱身空間雖然可行，但卻遠(yuǎn)不如隱身斗篷那樣方便實(shí)用——向物體上面一罩便可實(shí)現(xiàn)隱身。要實(shí)現(xiàn)像哈利 · 波特那樣的隱身斗篷，我們需要隨心所欲地控制光線偏折并使其繞過物體。這種偏折方式一般情況下是無(wú)法在自然界的材料中實(shí)現(xiàn)的，只有負(fù)折射率材料才能成功做到。而要實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率就要用到一種特殊的材料：超構(gòu)材料（Metamaterial）。

負(fù)折射率超構(gòu)材料 圖片來(lái)源：維基百科

超構(gòu)材料通常并不是天然材料，而是通過功能基元的設(shè)計(jì)和基元的特殊空間排列來(lái)構(gòu)筑的人工材料。它可以展現(xiàn)出許多新奇、超常的物理特性，并廣泛利用在光學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，例如光學(xué)負(fù)折射率材料、力學(xué)負(fù)泊松比材料、聲學(xué)吸聲材料等。

左：負(fù)折射率超構(gòu)材料。右：正折射率普通材料 圖片來(lái)源：Dolling et al., Optics Express, 2006.

（1）電磁波隱身衣

利用超構(gòu)材料，科學(xué)家們?cè)?2006 年首次實(shí)現(xiàn)了在微波頻率的電磁波隱身衣（見下圖）。微波跟可見光一樣都是電磁波，只是波長(zhǎng)在更長(zhǎng)的尺度（毫米到米）。我們常用的微波爐就是利用這一波段的電磁波給食物加熱。雖然這個(gè)隱身衣在可見光波長(zhǎng)下看起來(lái)一點(diǎn)也不 " 隱身 "，但是在特定的微波波長(zhǎng)下（3.5 厘米）它卻是隱身的，并且它內(nèi)部的物體也被隱藏，無(wú)法被這種波長(zhǎng) 3.5 厘米的微波探測(cè)到。

（a）微波隱身衣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（b）隱身衣的數(shù)值模擬展示了微波通過隱身衣后繼續(xù)傳播。（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合。圖片來(lái)源：D. Schurig, et al., Science, 314, 977 ( 2006 )

繼微波隱身衣之后，針對(duì)可見光的隱身衣也被科學(xué)家開發(fā)出來(lái)，并且發(fā)展出了許多不同類型。一種常見的設(shè)計(jì)方案是地毯式隱身衣：它能夠?qū)⑽矬w隱藏在地毯式隱身器件下面，對(duì)于旁邊的觀察者來(lái)說(shuō)，看到的效果就像平整的地面一樣，從而使物體隱身。設(shè)計(jì)原理本質(zhì)上是通過特殊鏡面或隱藏裝置把本該照射到物體上的光線反射或折射繞過物體并按原路傳播。

圖片來(lái)源：wikimedia

圖片來(lái)源：IOA

（2）光學(xué)隱身衣

利用這一設(shè)計(jì)方案，科學(xué)家們?cè)?2009 年成功實(shí)現(xiàn)了地毯式光學(xué)隱身衣（見下圖）。當(dāng)沒有隱身衣時(shí)物體會(huì)把光線向各個(gè)方向散射（左下圖），而一旦穿上隱身衣光線的傳播方向則跟平滑的地板一模一樣（中下圖）：遠(yuǎn)處的觀測(cè)者會(huì)誤認(rèn)為只有地板沒有物體（右下圖），這就成功實(shí)現(xiàn)了隱身。

圖片來(lái)源：Valentine, Jason, et al. Nature Materials 8 ( 7 ) , 568-571 ( 2009 ) .

設(shè)計(jì)隱身衣時(shí)還有一個(gè)非常重要的實(shí)用原則，那就是隱身衣越薄越好。如果能夠像一件輕薄的衣服貼身穿上即可隱身，自然比一套厚重的鎧甲更方便實(shí)用。根據(jù)這一原則，科學(xué)家們開發(fā)出了超薄光學(xué)隱身衣：通過將一層 80 納米厚度的納米天線覆蓋在物體表面，這層納米天線不僅可以調(diào)節(jié)反射光的方向還可以調(diào)節(jié)反射光的相位，從而像平滑平面一樣反射光線并將物體掩飾為平滑地面（見下圖）。這層超薄納米天線顯然非常類似于隱身斗篷，但是它只能對(duì)特定波長(zhǎng)的光（730nm）起作用。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)可見光波段起作用的廣譜隱身衣，目前的技術(shù)尚不成熟，科學(xué)家們還需要進(jìn)一步的努力。

圖片來(lái)源：Ni, Xingjie, et al., Science 349.6254 ( 2015 ) : 1310-1314.

顯然，先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)逐步將光學(xué)隱身衣從影視故事變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。是不是披上光學(xué)隱身衣就可以人生開掛隨時(shí)驚嚇小伙伴呢？聰明的讀者可能會(huì)說(shuō)：哪怕閉上眼睛我也能從腳步聲探測(cè)到別人靠近。事實(shí)確實(shí)如此，聲波和超聲波也可以用來(lái)探測(cè)物體，比如蝙蝠在黑暗中飛行，B 超檢查身體，聲吶探測(cè)魚群、潛艇等，都是利用了聲波或超聲波來(lái)探測(cè)物體的。相應(yīng)的，針對(duì)聲波和超聲波的隱身衣研究也是如火如荼。

（3）聲學(xué)隱身衣

聲學(xué)隱身衣的基本原理與光學(xué)隱身衣相同：使物體對(duì)聲波的傳播不產(chǎn)生影響即可實(shí)現(xiàn)聲學(xué)隱身衣。具體實(shí)例如下圖所示，科學(xué)家設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種由 16 個(gè)同心環(huán)組成的超構(gòu)材料聲學(xué)隱身衣：這些同心環(huán)可以引導(dǎo)聲波繞過中心的物體實(shí)現(xiàn)聲學(xué)隱身。如果只有物體放置在聲場(chǎng)中，會(huì)對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生較大影響（上排圖片）；而加上隱身衣后，聲場(chǎng)傳播基本不受影響（下排圖片）。聲學(xué)隱身衣在很多領(lǐng)域也有非常重要的應(yīng)用前景：比如潛艇的防聲吶探測(cè)、隔音設(shè)施的設(shè)計(jì)等。

圖片來(lái)源：Zhang, S., Xia, C., & Fang, N. ( 2011 ) . Physical review letters, 106 ( 2 ) , 024301

（4）其他類型的隱身衣

除了光學(xué)隱身衣，聲學(xué)隱身衣，還有其他隱身衣嗎？答案是肯定的：熱學(xué)隱身衣也是一種常見的隱身衣。眾所周知，很多物體包括人體都具有跟周圍環(huán)境不同的溫度，那么根據(jù)這種溫度的不同，可以利用測(cè)溫裝置比如紅外探測(cè)器發(fā)現(xiàn)物體。因此，科學(xué)家們可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱學(xué)隱身衣：通過類似的原理可以設(shè)計(jì)針對(duì)熱流傳播方程的熱學(xué)超構(gòu)材料并制造相應(yīng)的熱學(xué)隱身衣。當(dāng)穿上這種熱學(xué)隱身衣時(shí)，人體的溫度就跟背景溫度一致，從而實(shí)現(xiàn)熱學(xué)隱身，如下圖的紅外照片所示。

圖片來(lái)源：Adam Harvey

受到以上這些隱身衣的啟發(fā)，最近的研究熱點(diǎn)開始聚焦在流場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)隱身。流場(chǎng)隱身衣追求把物體對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)降到最低，進(jìn)而使外界無(wú)法從流場(chǎng)的變化中探測(cè)到物體。這種流場(chǎng)隱身衣 2019 年首次在多孔介質(zhì)流場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)，如下面的示意圖所示：沒有物體時(shí)流場(chǎng)是平直的（a），放入物體后流場(chǎng)被擾動(dòng)（b），當(dāng)覆蓋一層流場(chǎng)隱身衣后流場(chǎng)恢復(fù)平直（c）。這種流場(chǎng)隱身衣在水下航行器隱身和水下減阻等領(lǐng)域中具有重要意義。

圖片來(lái)源：J Park, JR Youn, YS Song, Physical review letters, 2019

同樣的，流場(chǎng)隱身衣也是越薄越好。有鑒于此，我們團(tuán)隊(duì)（香港中文大學(xué)徐磊教授研究組）研發(fā)出了目前世界上最薄的殼層式隱身衣。我們的設(shè)計(jì)巧妙地結(jié)合雙層隱身設(shè)計(jì)的里層與隱藏物于一體，將雙層隱身設(shè)計(jì)進(jìn)一步縮減為單層隱身，從而實(shí)現(xiàn)最薄的流場(chǎng)隱身衣——其厚度僅為中間隱藏物體的千分之三。如下圖所示：理論計(jì)算顯示沒有物體時(shí)流場(chǎng)平直（A），放入物體后流場(chǎng)被扭曲（B），而覆蓋我們的超薄流場(chǎng)隱身衣后流場(chǎng)重新變?yōu)槠街保–）。數(shù)值模擬展示了類似的結(jié)果（D, E, F）。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了沒有物體時(shí)流線平直（G），放入物體后流線變得彎曲（H），物體外披上我們的超薄隱身衣后流線重新變得平直（I）。這種超薄隱身衣對(duì)于實(shí)現(xiàn)物體的近場(chǎng)隱身有非常重要的意義。

圖片來(lái)源：Chen, M., Shen, X., & Xu, L. ( 2022 ) . The Innovation, 100263.

小結(jié)

綜上所述，自然界存在各種不同的物理場(chǎng)，比如光場(chǎng)、聲場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)，等等。針對(duì)不同的物理場(chǎng)均可研發(fā)各種隱身衣作為有效的反探測(cè)手段。這些隱身衣可以單獨(dú)使用，也可以組合在一起形成針對(duì)多物理場(chǎng)的超級(jí)隱身衣。隨著探測(cè)手段的日益提高，反探測(cè)的隱身研究也是水漲船高。還有什么新的黑科技會(huì)從中誕生呢？讓我們拭目以待！