中国科学院院士展示“隐身术”,有什么科学原理?

据中央广播电视总台中国之声《新闻超链接》报道,近日,在一场科学活动上,中国科学院院士褚君浩介绍了“多种光学隐身方法的效果测试”,现场展示了利用特殊材料实现的“隐身术”。

褚君浩院士请工作人员手持一块面板,起初透过面板还可看到人物的下半身,但将这块材料旋转90度之后,褚君浩院士的下半身“消失不见了”,但能够清楚地看到人物身后的舞台场景。褚君浩院士表示:“未来,哈利·波特的隐形斗篷将成为衣柜里的日常用品。”

实验过程中实现隐身的原理是什么?隐身技术走入日常生活还要多久?

揭秘“消失的下半身”

材料旋转前后

图:材料旋转前后

北京交通大学物理科学与工程学院副教授陈征介绍,褚君浩院士实现下半身“隐身”的原理是柱镜光栅。所谓柱镜光栅,是指柱面的凸透镜,可以想象为把一个透明圆柱从中间劈成两半,其中半个就是柱透镜,这些柱透镜并排组合就形成了形状类似瓦楞纸的透明又有周期性的折射结构,这个结构就是光栅。

柱镜光栅实现隐身的原理并不复杂。比如,找一个圆柱形水瓶灌满水,这时水瓶就变成了凸透镜,在水瓶后面稍远位置放置一根筷子,当筷子与水瓶平行时,在成像上筷子就变得非常细。如果在光栅的每个柱镜后都放置这个与柱镜平行的物体,此时物体的完整图像就被拆成很多的细线,由于细线相对于光栅的宽度很小,因此非常模糊,不容易被注意。

手机微距拍摄的柱镜光栅

图:手机微距拍摄的柱镜光栅

实验中将薄膜板旋转90度,就是为了使柱镜与褚君浩院士的腿平行。而之所以能看到舞台背景,主要是因为背景里的横条纹。这些横条纹在成像后依然是个完整的条纹,因此较为醒目,也正是这些横条纹足以吸引注意力,才使得隐身效果更为突出。

完美隐身?超材料是如何做到的?

陈征介绍,广义的隐身是指与背景融为一体,从这一角度而言,要实现可见光范围内的隐身事实上还有不少方法。比如,趴在草丛中穿上迷彩服,就是一种较为粗糙的隐身。

从光学上看,要实现不透明物体的隐身,可以利用平面镜的反射,让光线绕过物体,保持入射光线与出射光线方向一致即可。对于透明物体,可以利用折射率实现隐身,比如,高硼硅玻璃和甘油的折射率相近,放进甘油中的高硼硅玻璃就“消失”了。如果要实现红外热成像下的隐身,则可以想办法降低物体的表面辐射率。

要实现真正的完美隐身,超材料提供了全新的解决方案。中国科学技术大学副研究员袁岚峰介绍,超材料的性质在于材料中的纳米颗粒的堆积方式。穿上用超材料制成的衣服,射在身上的光线都发生反方向偏折,在远处看就像光没有经过任何物体。并且超材料不只局限于光学,在很多电磁波段,甚至声学领域都存在。“这是一个革命性的思路,不是依靠材料本身的性质,而是依靠材料结构堆积的不同来实现以前无法实现的效果,如负折射率、负磁导率等。”袁岚峰说。

陈征补充道,所谓超材料,就是在微观尺度上进行周期性结构的设计,使超材料能够呈现出一些独特的性质。由于电磁波和声波的波长较长,这些领域的超材料已经有所应用,而可见光的波长较短,对周期结构的精细度要求很高,目前在可见光领域应用还有难度。

穿上隐身衣还远吗?

隐身技术越发展,探测技术也越先进。陈征介绍,中微子足够小、数量多,且穿透力强,因此目前中微子探测受到较大关注,能够探测全球各个角落的核潜艇、核爆炸等。而引力波探测的探测对象都是大尺度对象,只有足够强的引力波才能被探测到。但无论反探测技术如何发展,都不会存在一种终极探测手段能够探测到所有隐身,当然也不会出现一切探测手段都无法探测的隐身方法。

目前隐身在军事领域的反探测手段,以及日常生活中的隐形眼镜、隐形背带等都有应用。未来利用简单的隐身手段,让公园的配电箱、污水井等与环境融为一体,这方面还有很大的想象空间。

陈征表示,隐身只是个目标,实现隐身的技术手段非常多,涉及的产业与科技领域也很宽泛,需要材料、机械、光电、化学等领域的全面进步,才能最终达到较为理想的隐身效果。(中国之声记者鹤佳)

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