有可能制造隐形装置吗?

作者:雅各布·西尔弗曼

杜克隐形装置包括一组同心圆。
杜克隐形装置包括: 一组同心圆。

在《圣经》中的许多比喻中科幻小说在现实世界中,科学家们长期从事的研究至少会改善伪装技术飞机从…起雷达或者进一步了解电磁波工作2006年,杜克大学的一组科学家演示了一种简化的隐形装置。2006年10月,由大卫·R·史密斯博士领导的杜克大学研究小组在《科学》杂志上发表了一项研究,描述了一种简化的隐形装置。而他们的设备只能屏蔽一个物体的一个波长微波炉光,它确实提供了更多的信息,帮助我们考虑是否可以在现实生活中使用隐形设备。

这种隐形装置是由一组同心圆制成的,中间有一个圆柱体,可以放置一个物体。当研究人员在装置上引导微波光时,波分裂,绕着装置流动,并在另一侧重新接合。史米斯博士团队的研究员Dave Schurig将其效果与“围绕光滑岩石流动的河水“[来源:杜克大学].放在圆筒内的任何东西都是掩蔽,或对微波有效不可见。

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这个设备并不完美。它造成了一些失真和“微波的阴影”[来源:纽约时报]它也只适用于一种波长的微波。

为了达到隐形效果,杜克大学的研究小组使用了一种相对较新的材料,称为超材料。超材料的性能取决于其结构而非化学性质。对于隐形装置,研究人员用玻璃纤维板制成马赛克状结构,上面印有线圈,有点类似于电路板。铜线的排列决定了它与电磁场的相互作用方式。对于隐形装置,研究人员用玻璃纤维板制作了马赛克状结构超材料的独特优势在于,它们可以用来创造具有自然界中无法发现的电磁特性的物体。

隐形装置的关键是利用一种称为折射率. 对象的折射率,或折射率,确定光线通过时弯曲的程度。大多数对象的折射率都是一致的,因此光线只有在穿过边界进入材质时才会弯曲。例如,当光线从空气进入材质时,就会发生这种情况.

如果材质的折射率大于1,则会导致光线向内弯曲。以下是常见材质的一些折射率:

  • 空气-1.0029
  • Ice-1.31
  • 水-1.33
  • 玻璃-1.52
  • 蓝宝石-1.77
  • 金刚石- 2.417

超材料用于制作折射率介于0和1之间的对象。杜克大学的研究小组使用超材料使他们的隐形装置具有逐渐变化的折射率——从装置外部的1,到中心的0。结果是,微波光在设备周围微妙地弯曲,并且能够在另一侧重新形成,尽管有一些可检测的失真。

虽然超材料和隐身是令人兴奋的技术,但它们有许多局限性。让我们在下一页再看一些。

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超材料和隐身的局限性

杜克隐形装置仅能屏蔽一个微波波长的物体。
杜克隐形装置仅能屏蔽一个微波波长的物体。
图片由大卫·R·史密斯博士提供

关于超材料和隐身的一些科学概念一直存在争议。人们还质疑隐形斗篷这确实是一种可能性。几年前,一些科学家声称有可能用一种特殊的材料制造超材料消极的折射率。起初,许多专家声称负折射率违反物理定律,但现在大多数人都承认这是可能的。尽管如此,事实证明,要制作可见的负折射超材料是很困难的(负折射实验是用超材料进行的微波炉但是今年德国卡尔斯鲁厄大学和爱荷华州艾姆斯实验室的科学家们能够制造出可见光折射率为负的超材料。

然而,在为超过一个可见光谱波长的物体研制工作斗篷之前,还有很多工作要做,更不用说科幻电影中的那种了。目前,正在制造一种可以在全部的可见光的波长超出了科学家的能力。他们还不知道是否有可能同时掩蔽多个波长。

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问题来自超材料上使用的铜。铜必须小于它所影响的光的波长。使用微波,这很简单,因为杜克大学使用的微波长度略超过3厘米。那个隐形装置的铜环大约有3毫米。但是可见光是400纳米到700纳米,比微波小数千倍。这些超材料的铜环长度必须在40纳米到70纳米之间。这种超材料可能会从纳米技术的未来发展中受益。

虽然杜克大学团队的隐形装置显然有其局限性,但这项技术和超材料的潜力是巨大的。史密斯博士回避就何时可以制造更复杂的隐形装置发表重大声明,但科学家们提出了一些未来的可能性:

  • 使一座大建筑物隐形,以便能看到另一边的公园
  • 改善服务范围无线设备允许波浪弯曲并绕着障碍物流动
  • 掩蔽军事的车辆和前哨
  • 消除阴影和反射(例如从军用飞机上)
  • 超高容量存储设备
  • 没有模糊效果的镜头,产生超清晰的图像

如果完全隐身是几十年后的事,或者根本不可能,那么另一种可能性似乎很有趣,这和我们在一些电影中看到的没什么不同。未来可能会制造出某种相位隐形装置,在这种装置中,可见光光谱中的每一种颜色都被隐形了几分之一秒。如果以足够的速度完成,对象可能会显示为半透明,但不是完全不可见。想想《捕食者》电影中的外星人反派,他在移动时几乎看不见,但在其他方面基本上看不见。

最后,还有一个因素限制了科学家们认为许多人不考虑的隐形装置的使用。隐身区内的人将无法看到外面,因为所有可见光都会在他们所处的位置周围弯曲。它们是看不见的,但它们也是瞎的。

有关隐形斗篷和相关主题的更多信息,请查看下一页的链接。

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来源

  • 《玩弄隐形》,2007年6月12日,纽约时报。http://www.nytimes.com/2007/06/12/science/12invis.html?ex=1182657600&en=278c566bdab95caf&ei=5070
  • 如何制作隐形斗篷〉,《探索》杂志,2006年11月20日。http://discovermagazine.com/2006/nov/building-invisibility-cloak
  • 大卫·R·史密斯的超材料和负索引页〉,大卫·R·史密斯研究小组。杜克大学。http://www.ee.duke.edu/~drsmith/neg_ref_home.htm
  • “隐形斗篷的首次展示”,杜克大学,2006年10月19日。http://www.dukenews.duke.edu/2006/10/cloakdemo.html
  • “折射率”,《超物理》,乔治亚州立大学。http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/tables/indrf.html
  • “电磁波谱”。田纳西大学物理与天文系。http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/light/spectrum.html
  • “隐形斗篷理论蓝图报告”,杜克大学,2006年5月25日。http://www.dukenews.duke.edu/2006/05/cloaking.html

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