真的吗

隱形斗篷？它聽起來就像是漫畫書中超級英雄的必備品。事實上，各種不同類型的電磁輻射(甚至可見光)隱形斗篷都是美國杜克大學博士後研究員David Schurig認為指日可待的新產物。Turig以及指導Schurig研究的杜克大學David Smith教授和倫敦帝國理工學院的John Pendry堅信，在2007年底，超物質(metamaterial)將可使隱形斗篷能在微波範圍內運\作；而未來進一步的努力目標則將針對其它類型的光線開發這樣的斗篷。

超物質、或是經過工程處理的複合物，主要是在一個巨大的類晶體晶格中以可見物質代替原子，因而使被動元件陣列的間距足以設定受影響的波長。這些被動元件陣列的設計讓我們想起了最初的電子學原理，即簡單的電阻-電容-電感(R-C-L)電路。在開放空間中，通過微型電阻、電容、電感陣列和其他介電物質的電磁波可被彎曲並沿著設計人員所指定的路線前進。

2000年，當時仍在加州大學工作的David Smith與其同事展示了一種複合物超物質，該物質採用內建的被動諧振器把微波向後彎曲。Smith的研究團隊所用的電路元件是以倫敦帝國理工學院的Pendry與其同事所提供的理論分析為基礎。

David Schurig近日與《EE Times》的技術編輯羅克鈴暢談了隱形元件的運\作原理，以及電子工程師該如何做，才能將這個科幻概念變成事實。

EE Times：隱形的概念起源於何處？

David Schurig：隱形概念最早來自於John Pendry和Andrew Ward在1996年的一篇論文。在有限元素分析的網格分割商業化軟體具備易用性之前，他們試圖將複雜的幾何形狀轉換成較簡單的幾何圖形，以簡化有限元素程式的模擬分析。就在去年，Pendry發現他和Ward在這些虛構空間中所用的物質特性已經可以具體實現了，而這都得歸功於新興的超物質。

EE Times：因此在1996到2006年的十年之間，就實現了從Pendry的學術論文到與杜克大學David Smith教授合作的隱形元件研究嗎？

Schurig：是的。Pendry想像在這個奇異空間中可以任意彎曲或扭轉，甚至還存在著一些可以藏東西的洞。他的新理論告訴我們如何在正常空間中建構出與在虛構空間一樣行為方式的物質。

EE Times：那麼電子工程師應該如何想像這種轉換？

Schurig：他們可以想像一塊中間有洞的紡織布料，而這個洞的形成是透過將一尖銳物體穿過其中的紡織線頭，但不撕破它們。而這個洞就是可以在二度空間中隱藏東西的地方。電磁場被侷限於沿著這些線頭移動，但卻無法接觸到隱藏在洞裡的任何東西。

當然，其訣竅便是要找出一種物質的特性，它可使沒有洞的正常空間，表現出好像有洞一樣。為達此目的，你可以採取數學描述的方式，解釋這些變形扭曲的線頭與正常織布間所存在的差異。事實上，這就是座標的轉換。接著你會問，就像在此座標變換的例子一樣，是否也可以為Maxwell方程組找到一組相同形式的物質特性？這些物質特性可使電磁場在我們熟知的平面、無洞空間中，表現出像在扭曲空間中一樣有趣的行為模式。

EE Times：Maxwell的四個微分方程式概括了電磁場的所有特性。因此，我猜想你們在去年一定學習到如何轉換使其可處理異形空間吧？

Schurig：Pendry自己做了第一組轉換，接著開始與David Smith和我共同討論，而我們也都認為這是相當有趣的；所以我們開始進行更多的轉換。其後我寫了一些射線追蹤程式，以便分別證實這些事情的確如同理論所假設的方式呈現；最後當然所有的一切都得到了證明。

從那時起，杜克大學的另一個教授Steve Cummer採用了Maxwell方程式解算器完成了全波形模擬。那一切都相當順利地實現了預定目標，這使我們非常驚訝，因為光線會繞過一個物體，而且仍存在於另一側的相位中，你或許認為它應該會超過光速。

EE Times：我曾經讀過那部份的內容。光線繞著隱形區域的外側所行進的距離比一般時候更長，而且根據以光速行進的定義來看，額外的距離也許意味著它甚至必須行進得更快，以便能與周圍的光線保持同步。但是它實際上並未能比光速傳輸能量更快。因此，它實際上只使用了穩定狀態積累的能量，以使一個特定頻率相峰超過光速，對不對？

Schurig：是的。你的準備工作做得不錯。你相當理解散射和相對論，一切也就是這麼一回事。但它不像聽起來的這麼難。請記住，把東西藏起來讓人眼看不見比讓一個光譜儀看不見更為容易。人眼只能看到紅綠藍三個波段，而且有各種花招可以矇騙過人眼。最簡單的方式就是當環境是單色時，如叢林中的一切都籠\罩在一片綠光的環境下，那麼你就可以隱形得很好，即使你的隱形只用有限的頻寬。

EE Times：這些超物質只適合工作在像微波一樣較長的波長嗎？超物質現在能否用於可見光區域？

Schurig：這些超物質目前還不能用於可見光；可能還要再等10年。但從原理上來看，它是可能應用在可見光的。

EE Times：但我可以想像開發出一個能使可見光繞過物體的傳統透鏡和折射系統。從原理上來看，為什麼還需要超物質呢？

Schurig：一方面，轉換理論規格所要求的物質必須是異質的，這意味著其特性會隨不同的點到點或方向而改變，也就是說物質特性取決於電磁場方位。最後，你還必須找到介電率和導磁率比在自由空間低的物質。

EE Times：我熟悉的超物質可運\作在微波中，並以具有開環振盪器(split-ring oscillator)的電路板來提供工作頻率的諧振器。這也是你們正提出的設計嗎？

Schurig：是的，這大致上就是我們所做的東西。事實上，我們所進行的第一次隱形展示將使用相同的電路板物質。

EE Times：我猜想你們第一款實際的隱形元件將在微波頻率處提供一種平滑過渡的效果。情況是這樣嗎？

Schurig：是的。

EE Times：甚至可能得到實際應用。例如，為什麼不把這些設備應用於隱形一個間諜衛星，以防止雷達發現呢？

Schurig：絕對能做到。躲避雷達偵測是超物質在適當頻率範圍上的一個應用。可以確定的是，躲避可見光預計是10年後的事情，但使用隱形元件來躲避雷達偵測很快就能實現。

EE Times：就你們在微波範圍的初始實驗來說，你們打算隱形的物體體積有多大？

Schurig：我們的測量裝置只針對測量幾十公分的東西而設計。

EE Times：你們預期何時可完成？

Schurig：由於事情進展得相當順利，我們預期將在不到一年的時間內就可推出一些成果。

EE Times：請您為對於隱形實驗感興趣的電子工程師提供一點建議？

Schurig：這項實驗的主要設計過程必須回歸到基本的電路模型。電子工程師們在學校所學的電路模型是非常有幫助的，因為我們必須反覆地使用這些模型來設計超物質。純粹從直覺出發，當你考慮到一個超物質開環諧振器時，你就會想到改變影響著諧振器頻率的開環電感和電容器，以便改變諧振器的特性。

EE Times：儘管它應用在一個不同尺寸的規模上，但您為這象徵著基本電子工程技能的復興嗎？

Schurig：我們是這樣認為的。我們大部份的人都是物理學家，但我們卻一直使用著電子工程學的基本電路模型。事實上，我們全部都在杜克大學的電子工程學系中進行這些工作。

EE Times：在完成這些微波電路板級的電路原理實驗後，你們是否期望這些結構能轉移到微機電系統發展？

Schurig：是的，我認為未來的10年該領域就朝此發展，並使其發展到奈米級能夠讓隱形元件在可見光的頻率範圍內發揮作用。

EE Times：隱形效果總是侷限在具有一定頻率範圍的頻寬內。有沒有什麼方法可以使用三個平行系統，例如RGB，而使得隱形元件能在整個可見光範圍上奏效呢？

Schurig：是的，這是可能的，或者說一個單一系統也能動態調節。在這方面工程師就能夠施展各種技巧。如果電子工程師對於這些隱形元件感興趣的話，那麼我建議他們現在就開始學習超物質；這是一種可實現隱形元件的新技術。

David Schurig簡介

現為杜克大學博士後研究員

曾任加州大學聖地牙哥分校(UCSD)博士後研究員、Tristan Technologies公司物理研究員

美國加州大學聖地牙哥分校(UCSD)物理學博士

作者：羅克鈴

设想一下有一件看不见的斗篷，就像哈利·波特从他父亲那儿继承来的那件一样，穿上后就能神奇地隐身！再设想一下海边有一个炼油厂，可是你却看不见它，一点不影响海边的美丽风景！你认为这是天方夜谭？英国和美国的研究人员却说，现在可以做到这一点了。

特殊人造材料是隐形关键

制作隐形服装的关键是一种特殊的人造材料，它既非自然界中的材料，也并非来自哈利·波特的魔法学校。英美研究人员发明的材料，是用来控制光线及物体周围其他的电磁射线，让这些光线和射线给人“隐身”的感觉，就像是隐藏在太空的黑洞里一样。
美国宾夕法尼亚大学的电子与系统工程教授纳达尔·恩格赫塔说：“这是一种非常有趣的科学，也是一种非常有趣的创意，得到了数学和物理学伟大的基础支持。”事实上，恩格赫塔正在用一种被称为元材料（ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ）的新奇材料，研制隐形服。英国物理学家彭德利和同事也使用元材料，它能让电磁射线比如无线电波或可见光等，向任何方向折射。
用这种材料制成的外衣，既不反射光线也不投射阴影。就像一条小河沿着一块平滑的大石头流淌一样，光线和电磁射线，照射到斗篷上后就顺着衣服“流走”了，就好像从未碰到障碍物一样。旁人无法在衣服上看到光线，一切就这样消失了。
美国东北大学的物理学家、切尔顿微波公司的设计工程师帕坦加利·帕里米说：“是的，如果有人穿上用这种材料制作的斗篷，他就能隐身。”

需要克服四大技术难关

这种隐形斗篷目前还不存在，但彭德利说，１８个月内就能研制出这种特殊人造材料，并很快造出隐形斗篷。
哈利·波特穿着隐身斗篷，可以神不知鬼不觉地在魔法学校飞来飞去，不过彭德利认为，现实生活中的这种技术与哈利·波特的斗篷不一样，它不能被穿在身上。他说：“在现实中，叫它斗篷其实是用词不当，称其为‘防护罩’应该更合适。”
当然，开发隐形技术并不像小说《哈利·波特》般富有传奇色彩，科学家需要解决四大科学难题：
１．为达到完全隐形的效果，通过离被隐形物体最近的光波，必须以超过相对论的“光速极限”（注：在爱因斯坦的相对论中，光速无法被超越。）的方式偏转。幸运的是，爱因斯坦的理论允许平滑光脉冲经历这样的转变。
２、隐形效果只对特殊范围的波长有作用，只能在非常小的频率范围内发挥效果。
３、防护罩可用于覆盖任何形状的物体，但不能飘动。移动的物体会破坏隐形效果。
４、研制出针对雷达的隐形材料还相对容易，其内部结构用毫米计算即可。但要研制出针对视觉的隐形材料，则难度很大，其结构必须是纳米（注：十亿分之一米）级别的。此外，科学家还要考虑使潜艇和军舰等更重更大的物体隐形。

军民两用前景广阔

隐形技术在军用和民用方面的前景很广阔。例如，可研制一种容器遮蔽核磁共振扫描仪干扰；可建隐形罩以避免障碍物阻挡手机信号；甚至可在炼油厂上建一个隐形罩，使它不影响海边的美丽风景。医生手术所戴的手套使用“隐形”技术，医生动手术的手就会变得“透明”，不会挡住需要手术的部位。飞机驾驶舱的底部“穿”上“隐形衣”，飞机着陆时，驾驶员就能很清楚地看到地面跑道的情况，着陆时就更安全。
科学技术的不断发展使得各种可探测技术、隐形材料层出不穷，以往只能在科幻小说里见到的隐形兵器、隐形人，而今已悄然走出实验室，出现在信息化战场上。尤其伴随隐形飞行器、隐形战斗车辆、隐形舰艇、隐形弹药的出现，单兵隐形技术也从实验室走上了战火纷飞的阵地。
隐形技术并非让人从人间蒸发，而是利用光学原理、电磁原理，使自己在敌人的视觉、光学侦察器材、红外侦察器材前不可见，或与环境融合而不可辨。
随着隐形技术和隐形装备的不断发展，身着隐形衣的作战人员涌向未来战场，必将给传统的侦察设备带来全新挑战，同时，也必将推动隐形与反隐形对抗技术的加速发展。

各种隐形衣

反可见光侦察隐形衣。它印有与大自然主色调一致的６种颜色构成的变形图案。这些图案是经过计算机对大量丛林、沙漠、岩石等复杂环境进行统计分析后模拟出来的。它可使着装者的轮廓产生变形，其细碎的图案与周围环境完全融合，即使目标在运动也不易被发现。
反红外侦察隐形衣。它由精选的６种颜色作为染料，并掺进特殊化学物质后制成。该隐形衣与周围自然景物反射的红外光波大致相似，颜色效果更接近大自然的色彩环境，以此迷惑敌人的视觉和干扰红外侦察器材。
变色隐形衣。它是一种由光敏变色物质处理过的化纤布制成的作战服，也可用光敏染料染在普通布料上制成。不论是在绿色的丛林、黄色的沙滩、蓝色的海洋还是白雪皑皑的原野，隐形衣都会根据周围环境的变化而自动改变颜色，着装者能够很容易地接近袭击目标，而不易暴露自己。
视而不见的透明服。日本东京大学工程学教授田智晋也研发出一种神奇的“透明服”，可以从人前看到人后的一切，从而达到“视而不见”的隐形效果。其原理是利用透明服后的摄像机，把影像传送并映射到前面具有反光功能的衣服表面，使人能看到着装者背后的影像，如同着装人是“透明”的。
隐形帐篷。除研制、装备各种隐形衣外，国外还在研制用于集体防护的隐形帐篷。它用特殊材料制成，顶部和围墙采用隐形材料，支架和固定体采用塑料或复合材料，外型类似一个平台。它能有效地防敌雷达探测，保护作战人员免受弹片和轻武器杀伤，并且具有防光辐射、放射性沾染和化学武器的功能。

一个由英美两国科学家组成的研究团队昨天宣布，他们已经针对电磁波中的微波制造出“隐形斗篷”。以微波照射置于斗篷之中的物体时，斗篷会将微波的散射与阴影区降到最低；亦即从另一边观测时，微波犹如穿越空无一物的空间，因此观测者“看”不到此一物体。

这项研究是由伦敦帝国学院与美国杜克大学合作，论文刊于最新一期《科学》周刊网路版。相关技术颇具军事价值，假以时日可望开发出能够骗过雷达的隐形装置，因此五角大厦的“国防先进研究计划署”也为这项研究提供经费。不过要像科幻小说一样，制造出针对可见光的隐形斗篷，至少还需五到十年时间。

新问世的斗篷装置其实外型并不像斗篷，它是以特殊材质制成而表面镀铜的玻璃纤维环，排成直径卅公分的同心圆，中间竖立一个直径卅公分的铜圆柱体，做为试验对象。目前这种装置的隐形功效限于二维平面，而且还无法达到百分之百；科学家将进一步研发三度空间隐形、阴影完全消除的装置。

领导研究团队的伦敦帝国学院物理学教授潘德瑞爵士指出，隐形斗篷的核心概念，其实可以用水流来解释。当河水流过一块平滑的石头，水流会在石头前方分开，到了石头后方再会合，因此你从下游观看时，可能根本察觉不到石头的存在。将水流换成光波，科学家要做的就是找出一种物质，能够让光波平顺地先分开再会合，宛如不曾受到任何阻挡。

这种物质就是“超颖物质”（metamaterial，亦称“超常介质”）。超颖物质最大的特色在于，它与电磁波的交互作用并非决定于它的化学性质，而是决定于它的结构。为了达到此一目的，超颖物质的材料的内部结构尺度必须小于电磁波的波长，因此波长愈短的电磁波，所需的超颖物质也就愈难以制造，必须仰赖日新月异的奈米科技。

微波与雷达波的波长较长，其超颖物质结构尺度可达几公分，制造难度不算高。相较之下，可见光超颖物质就须以微米（百万分之一公尺）尺度来衡量，制造难度也大增。因此像《哈利波特》或《魔戒》中的隐形斗篷，或是“星舰迷航记”的隐形功能，短期内不会问世。

在军事运用方面，传统的匿踪科技是以特殊造形减少雷达波反射面积，并以特殊涂装材料吸收雷达波，以降低目标曝光的机会。但超颖物质制成的隐形斗篷，则是要让雷达波“穿过”目标，无法察觉它的存在。不过潘德瑞教授提醒大家：“这种斗篷无法做到很薄，虽然《哈利波特》的场景深入人心，但真正的斗篷可不会随风飘扬，它其实比较像个护套。”

物质波雷达。看你怎么隐身？

这技术其实并不很实用，带来的麻烦远大于益处。表面上看不见不遮光是好事，其实倒未必