【科幻開(kāi)腦洞 科學(xué)找答案】

科技日?qǐng)?bào)記者 符曉波

(資料圖片僅供參考)

隨著科學(xué)理論的不斷發(fā)展，紅外隱形、雷達(dá)隱形等隱身技術(shù)已較為成熟地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，但諸如哈利波特的隱身斗篷這樣在視覺(jué)上實(shí)現(xiàn)完美隱身的應(yīng)用似乎還停留在人類想象層面。難道，令人無(wú)限遐想的隱身衣只能出現(xiàn)在科幻作品中嗎？

3月21日，武漢紡織大學(xué)紡織科技館正式開(kāi)館，推出了不少由高科技紡織材料制成的展品。其中，看似普通的迷彩服，穿在身上可以避開(kāi)紅外線監(jiān)測(cè)，化作“隱身衣”。

多年來(lái)，在讓科幻中的隱身衣走進(jìn)現(xiàn)實(shí)這件事上，科學(xué)家是認(rèn)真的。

2006年，科學(xué)家利用超構(gòu)材料首次實(shí)現(xiàn)了在微波頻率的電磁波隱身衣。隨后，科學(xué)家開(kāi)發(fā)了針對(duì)可見(jiàn)光的隱身衣。2009年，科學(xué)家成功研制出地毯式光學(xué)隱身衣。

此外，科學(xué)家還將目光轉(zhuǎn)向聲學(xué)隱身衣、熱學(xué)隱身衣、流場(chǎng)隱身衣，取得了系列突破。2022年，香港中文大學(xué)徐磊教授研究組團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了超薄流場(chǎng)隱身衣。2022年，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳煥陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)出可作用于微波頻段和太赫茲頻段的隱身器件……

這些成果意味著，隱身衣或許真的在逐步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

實(shí)現(xiàn)古老夢(mèng)想

從古至今，隱身一直是人類追求的夢(mèng)想之一，在東西方經(jīng)典作品中常有相關(guān)描述，如在古希臘神話中，英雄人物珀?duì)栃匏咕驮?jīng)得到過(guò)可以隱身的頭盔；《西游記》中，孫悟空使用隱身術(shù)混進(jìn)瑤池宮闕大鬧蟠桃宴；而在動(dòng)畫(huà)片《葫蘆兄弟》里，六娃的絕活就是隱身。

試圖讓自身變得不可見(jiàn)的幻想背后，是人類對(duì)未知的渴望，這種渴望的靈感來(lái)自大自然。中國(guó)科學(xué)院物理所研究員、北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員陸凌介紹，自然界中如魷魚(yú)、烏賊等軟體動(dòng)物具有的變換能力，讓人們看見(jiàn)了實(shí)現(xiàn)隱身的可能。

借鑒章魚(yú)、變色龍等自然界中動(dòng)物的特殊生理結(jié)構(gòu)，科學(xué)界找到了實(shí)現(xiàn)隱身技術(shù)的最初思路，即盡可能降低自身對(duì)比度，與環(huán)境融為一體，使人眼無(wú)法甄別。

“章魚(yú)表皮有成千上萬(wàn)的小色素塊，其軟體組織可以瞬間張開(kāi)或者縮小這些小色素塊，呈現(xiàn)出不同顏色和形態(tài)，使人無(wú)法分辨章魚(yú)及其生存環(huán)境。不過(guò)，從嚴(yán)格意義上講，這是一種偽裝術(shù)，并不是真正的隱身。我們可以看到它，只是無(wú)法分辨它和它所在的環(huán)境。”陸凌說(shuō)。

而要真正讓物體“憑空消失”，在科學(xué)上還需向前邁出一大步。華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心副教授、知乎光學(xué)話題優(yōu)秀答主高輝介紹，物體散射或反射的光線進(jìn)入眼睛使人能夠看見(jiàn)物體，因此要實(shí)現(xiàn)物體的隱形則需要這個(gè)物體既不反射和散射光線，也不吸收光線，也就是說(shuō)，要使光線繞過(guò)物體，不受其影響。

在一些實(shí)驗(yàn)中，人們通過(guò)設(shè)計(jì)垂直排列的透鏡陣列，有選擇地反射光線，從而達(dá)到隱身效果，但一旦觀察角度有所偏移，物體又會(huì)暴露在人們的視線中。迄今為止，實(shí)現(xiàn)完美隱身對(duì)科學(xué)家而言仍是巨大的挑戰(zhàn)。

科技“彎曲”光線

要像《哈利·波特》中的隱身斗篷那樣，穿上就能實(shí)現(xiàn)全空間完美隱形效果，理論上要能隨心所欲地控制光線偏折。

早在1897年，英國(guó)小說(shuō)家赫伯特·喬治·威爾斯發(fā)表的科幻小說(shuō)《隱形人》就描述了這一設(shè)想。故事主人公發(fā)明了一種能把人體的折射率變得與空氣一致的神奇藥水。主人公使用神奇藥水，就能順利隱身，成為不被看見(jiàn)的人。而在漫威電影《神奇四俠》中，隱形女俠擁有的超能力能夠控制光波，使光繞著她走，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隱形。

無(wú)法考證，科學(xué)家是否從科幻小說(shuō)中獲得了靈感，但多年后變換光學(xué)理論的提出使科幻作品中的情節(jié)有了照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的可能。

所謂變換光學(xué)理論，是指通過(guò)改變介質(zhì)參數(shù)從而讓光線彎曲的理論。2006年，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的物理學(xué)家約翰·彭德里等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率滿足一定關(guān)系時(shí)，電磁波在介質(zhì)中會(huì)沿給定的曲線傳播，并且不產(chǎn)生反射，這意味著人類可以通過(guò)精確設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的自由操控。

“理論上，通過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)控人造材料參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)隱身斗篷、光學(xué)幻象裝置、旋轉(zhuǎn)器等不同功能的隱身器件，但實(shí)際操作所需調(diào)節(jié)的電磁參數(shù)非常復(fù)雜，需要昂貴的光刻技術(shù)和繁瑣的制造方法，最終實(shí)際的隱身效果也會(huì)因存在種種局限而大打折扣。”廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生陶思岑介紹，在已有的研究中，科學(xué)家設(shè)計(jì)出的大多數(shù)隱身器件往往只針對(duì)特定物體或特定角度，要完全躲過(guò)世界上最精密的照相機(jī)——人眼，技術(shù)難度非同小可。

追求完美隱形

為減小隱身器件理論設(shè)計(jì)與實(shí)際制備之間的難度，2022年，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳煥陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)提出運(yùn)用遺傳算法設(shè)計(jì)隱身器件方案。

“我們引入遺傳算法來(lái)設(shè)計(jì)隱身器件，它是一種受生物進(jìn)化啟發(fā)的學(xué)習(xí)方法，通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解。”陳煥陽(yáng)介紹，該研究將隱身器件的最小化散射截面設(shè)為優(yōu)化目標(biāo)，將隱形器件的幾何結(jié)構(gòu)、材料及工作波長(zhǎng)這些變量定義為遺傳算法中的個(gè)體染色體。優(yōu)化過(guò)程從隨機(jī)生成由隱身器件組成的種群開(kāi)始，然后解析計(jì)算每個(gè)隱身器件對(duì)應(yīng)的散射截面，其中散射截面越小代表隱身效果越好；接著再運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行選擇、交叉和變異等操作，選擇最優(yōu)個(gè)體參與下一代繁殖，并重復(fù)該過(guò)程，直到找到全局最優(yōu)方案。

借助人工智能算法，科研人員通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)探索光子器件的隱身性能，在最小化人為干預(yù)前提下，成功設(shè)計(jì)出可作用于微波頻段和太赫茲頻段的隱身器件。該方法避免了復(fù)雜的圖案化加工過(guò)程，設(shè)計(jì)時(shí)間可控制在毫秒級(jí)內(nèi)，表明遺傳算法可在高維空間中直接進(jìn)行全局最優(yōu)搜索，可作為隱身器件設(shè)計(jì)的有效方法。

為了追求完美隱身，多年來(lái)，科學(xué)家對(duì)物質(zhì)在不同物理環(huán)境下的隱身進(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，如在特定微波波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)隱身的電磁波隱身衣、使物體對(duì)聲波的傳播不產(chǎn)生影響的聲學(xué)隱身衣、利用熱流傳播方程制造的熱學(xué)隱身衣等。

陶思岑說(shuō)，科學(xué)家暢想的隱身，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)叫作“低可探測(cè)技術(shù)”，即利用各種技術(shù)手段來(lái)改變目標(biāo)物可探測(cè)性信息特征，此類技術(shù)手段包括采用獨(dú)特設(shè)計(jì)的吸波、透波材料降低目標(biāo)物對(duì)電磁波、光波的反射；通過(guò)折射光線使人眼無(wú)法察覺(jué)目標(biāo)物，使其降低被發(fā)現(xiàn)的可能等。這些技術(shù)可以單獨(dú)使用，也可組合在一起形成針對(duì)多物理場(chǎng)的超級(jí)隱身器件。從神話科幻到現(xiàn)代科技，人類對(duì)隱身技術(shù)的探索從未停止。隨著技術(shù)迭代，隱身技術(shù)將廣泛應(yīng)用于建筑、通信等領(lǐng)域。

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科幻作品里不乏隱身衣的身影，但鮮為人知的是，中國(guó)最早的科幻電影把隱身衣搬上了熒幕。

人們?cè)?jīng)認(rèn)為，中國(guó)最早的科幻電影是1939年首映的《六十年后上海灘》。然而，這個(gè)觀點(diǎn)或許要被更正了。

在中國(guó)科普研究所和南方科技大學(xué)科學(xué)與想象力研究中心聯(lián)合舉辦的科幻研習(xí)營(yíng)（2021）的討論中，學(xué)者黃鳴奮通過(guò)研究民國(guó)報(bào)刊文獻(xiàn)提出，1925年由汪優(yōu)游、徐卓呆執(zhí)導(dǎo)的《隱身衣》可能是中國(guó)首部科幻電影。在這部劇情簡(jiǎn)單的滑稽片中，主人公得到了一件改變了他人生的隱身衣，通過(guò)隱身懲罰了第三者。

除《隱身衣》外，20世紀(jì)三四十年代，國(guó)內(nèi)外科幻電影瞄準(zhǔn)隱身技術(shù)，推出了《隱身人》《隱身女》《新隱身術(shù)》《隱身特工》《隱身人復(fù)仇》《隱身女俠》《陳查禮大破隱身術(shù)》等作品，隱身技術(shù)作為電影中的“常客”，頻頻亮相。

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