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第3章 2.隱形

不可思議的物理 加来道雄 11536 2018-03-20
在《星艦迷航Ⅳ:搶救未來》(Star Trek IV: The Voyage Home)中,一艘克林貢(Klingon)戰鬥巡洋艦被“企業號”的船員們劫持了。與聯邦星際艦隊的宇宙飛船不同,克林貢帝國的宇宙飛船有一種秘密“隱蔽裝置”,能使它們在光線下和雷達中隱形,這樣克林貢的飛船就能悄悄從背後接近聯邦的飛船,然後突然襲擊而自身毫無損傷。這一隱蔽裝置給了克林貢帝國超越星際聯邦的戰略優勢。 這樣的一種裝置真的可行嗎?從《隱行人》的字裡行間到《哈利·波特》系列中神奇的隱身衣,或是《指環王》中的指環,隱形一直都是科幻小說和幻想中的奇妙事物之一。可是,在至少一個世紀的時間裡,物理學家對於隱身衣存在的可能性不屑一顧,斷言它們是不可能存在的:它們違反了光學定律,並且不符合任何已知物質的屬性。

但如今不可能或許能成為可能。一種在“超材料”(metamaterial)上取得的進步正在有力推動一場光學課本的大規模修訂。這一材料的應用雛形其實已經在實驗室中建立了,工業領域和軍事領域在被媒體激起巨大興趣後,正在將可見物變得隱形。 隱形或許是古代神話中最古老的概念之一。自有史以來,獨自度過令人不寒而栗的夜晚的人們便會被看不見的死者靈魂、早已離世之人潛伏在黑暗中的魂魄所驚嚇。希臘英雄珀爾修斯(Perseus)在武裝了可使人隱形的頭盔後得以殺死邪惡的美杜莎(Medusa);軍隊將領們一直夢想擁有隱形裝備,因為隱形後可以輕易地突破敵人防線,並且出其不意地贏得勝利;罪犯們可以利用隱形來實現巧妙的偷盜。

隱形在柏拉圖(Plato)的倫理道德理論中起著中心作用。在他的哲學傑作(The Republic)中,柏拉圖詳細講述了裘格斯戒指(ring of Gyges)的神話。呂底亞(Lydia)貧窮但誠實的牧羊人走進了一個隱蔽的山洞,發現一座墳墓裡有一具佩戴著一枚黃金戒指的屍體。裘格斯發覺這枚戒指具有讓他隱身的魔力。很快,窮苦的牧羊人就被這枚戒指賦予他的力量所控制。在偷偷潛入國王的宮殿後,裘格斯使用他的魔力誘惑了皇后,並在她的幫助下殺死了國王,成為呂底亞的下一任國王。 柏拉圖想要述說的寓意是:沒有人能夠抗拒可以自由偷盜和殺戮的誘惑。每一個人都是可以被腐蝕的。道德是從外界強加於人的社會構建。一個人或許可以在公眾面前表現得道德以維護他正直誠實的名譽,可一旦他具有了隱身的能力,運用這種能力便勢在必行(有些人相信這個倫理故事是JR R·托爾金《指環王》三部曲的靈感來源,在這部作品中,一枚能給予佩帶者隱身能力的指環同時也是邪惡之源)。

隱形也是科幻小說中常見的劇情鋪墊。在20世紀30年代的《飛俠哥頓》系列中,飛俠隱身以擺脫酷明(Ming the Merciless)的行刑隊;在《哈利·波特》系列小說和電影中,哈利披上一件特殊的袍子好讓他在霍格沃茨城堡中漫步而不被發現。 HG 威爾斯以他的經典小說《隱行人》將這一神話事物在很大程度上現實化了。在小說中,一位醫科學生偶然發現了四維的力量,並且隱身了。不幸的是,他將這一玄妙的能力用於私人攫取,開始了一系列犯罪活動,並且最終在試圖逃避警察的時候絕望地死去。 直到蘇格蘭物理學家詹姆士·克拉克·麥克斯韋——19世紀物理學界的巨人之一的研究成果問世,物理學家們才對光學定律有了確定的了解。從某些意義上來說,麥克斯韋正是邁克爾·法拉第的對立面。法拉第在試驗中有著驚人的直覺卻完全沒有受過正式訓練,而與法拉第同時代的麥克斯韋則是高等數學的大師。他在劍橋大學上學時擅長數學物理,在那裡艾薩克·牛頓於兩個世紀之前完成了自己的工作。

牛頓發明了微積分。微積分以“微分方程”的語言來表述,描述事物在時間和空間中如何順利地經歷細微的變化。海洋波浪、液體、氣體和砲彈的運動都可以用微分方程的語言進行描述。麥克斯韋抱著清晰的目標開始了工作——用精確的微分方程表達法拉第革命性的研究結果和他的力場。 麥克斯韋從法拉第電場可以轉變為磁場且反之亦然這一發現著手。他採用了法拉第對於力場的描述,並且用微分方程的精確語言重寫,得出了現代科學中最重要的方程組之一。它們是一組8個看起來十分艱深的方程式。世界上的每一位物理學家和工程師在研究生階段學習掌握電磁學時都必須努力消化這些方程式。 隨後,麥克斯韋向自己提出了具有決定性意義的問題:如果磁場可以轉變為電場,並且反之亦然,那若它們被永遠不斷地相互轉變會發生什麼情況?麥克斯韋發現這些電—磁場會製造出一種波,與海洋波十分類似。令他吃驚的是,他計算了這些波的速度,發現那正是光的速度!在1864年發現這一事實後,他預言性地寫道:“這一速度與光速如此接近,看來我們有充分的理由相信光本身是一種電磁干擾。”

這可能是人類歷史上最偉大的發現之一。有史以來第一次,光的奧秘終於被揭開了。麥克斯韋突然意識到,從日出的光輝、落日的紅焰、彩虹的絢麗色彩到天空中閃爍的星光,都可以用他匆匆寫在一頁紙上的波來描述。今天我們意識到整個電磁波譜——從電視天線、紅外線、可見光、紫外線、X射線、微波和γ射線都只不過是麥克斯韋波,即振動的法拉第力場。 愛因斯坦在評論麥克斯韋方程式的重要性時寫道,這是“自牛頓時代以來物理學家經歷的最深遠、最富成果的事件”。 (悲慘的是,麥克斯韋,19世紀最偉大的物理學之一,在48歲英年早逝,死於肺癌——這很有可能也是在同樣的年齡奪取他母親生命的疾病。如果他能活得更久,他或許能發現他的方程式在允許時間和空間變形的情況下會直接得出愛因斯坦的相對論。想到麥克斯韋要是能活得長久一些,相對論在美國內戰期間就可能被發現,真是讓人驚訝。)

麥克斯韋的光學理論和原子理論為光學和隱形作出了簡單的解釋。在固體中,原子是排列緊密的,而在液體或氣體中分子的分佈較為鬆弛。大多數固體都是不透光的,因為光線無法穿透固體中高密度的原子矩陣,其作用就像一面磚牆。相反,許多液體和氣體是透明的,因為光線可以毫無阻礙地穿過它們原子之間的大空隙,那是比可見光的波長更大的空隙,例如,水、酒精、氨水、丙酮、過氧化氫、汽油等等都是透明的,就像氧氣、氫氣、氮氣、二氧化碳、甲烷等氣體一樣。 這條規則有一些非常重要的例外情況。許多水晶都既是固體又是透明的。但是水晶的原子是以一種精確的網格結構排列的,堆積成有規則的行列,中間有著規則的空隙。因此便有了許多途徑可以讓光線能穿過水晶網格。所以,雖然水晶和任何固體一樣結構排列緊密,光仍然能有效穿過水晶。

在特定的情況下,如果原子被隨機排列,一個固體就可能變得透明。這可以通過將特定材料加熱至高溫後再迅速冷卻它們來實現。比如,玻璃是一種由於其原子被隨機排列而具有許多液體性質的固體。某些糖果也是通過這個方法變得透明的。 顯而易見,隱形是一種在原子水平通過麥克斯韋方程發生的屬性變化,因此使用普通的辦法來重現會極端困難——如果並非不可能實現的話。想要讓哈利·波特隱身,我們必須先將他液化,把他煮沸以產生蒸汽,讓他結晶,再次加熱他,然後把他冷卻——哪怕對一個巫師而言,這一切都相當難以實現。 軍方無法製造出隱形飛機,因此已經嘗試著退而求其次:開發,使飛機在雷達上隱形。隱形技術依靠麥克斯韋的方程式創造了一系列戲法。一架隱形戰鬥機在肉眼中完全可見,但它在敵軍雷達上的雷達圖像僅有一隻大鳥般大小(隱形技術實際就是一堆障眼法的大雜燴。通過改變戰鬥機內部材料——減少金屬含量而用塑料和樹脂替代、改變機身的曲度、重新調整它的排氣管等等,我們可以讓敵軍命中機身的雷達信號向四面八方散開,這樣它們就永遠不可能返回到敵軍的雷達屏幕上。就算有了隱形技術,一架戰鬥機也不可能完全隱形,它只能在技術允許的範圍內盡量折射或驅散雷達)。

不過,隱形技術中最大有可為的新進展或許是一種叫做“超材料”的奇異材料,有朝一日它也許真的能讓物體隱形。具有諷刺意味的是,超材料曾被認為是不可能存在的,因為它違反了光學定律。然而,2006年,北卡羅來納州的杜克大學(Duke University)和倫敦帝國理工學院(Imperial College)的研究者成功挑戰傳統概念,使用超材料讓一個物體在微波射線下隱形。儘管仍有許多難關需要克服,但我們有史以來頭一次擁有了能使普通物體隱形的方案(五角大樓的國防高級研究計劃署[The Pentagon's Defense Advanced Research Project Agency,DARPA]資助了這一研究)。

微軟(Microsoft)的前首席技術官納森·梅爾沃德(Nathan Myhrvold)說,超材料那革命性的潛力“將徹底改變我們對待光學的方式,以及電子學的幾乎每一個方面……有些超材料能夠成就在幾十年前看來屬於奇蹟的偉業”。 超材料是什麼?它們是具備自然界中不存在的光學性質的物質。超材料是通過將微小的組件植入一種材料而產生的,這種材料能強迫電磁波向非正常的角度彎曲。在杜克大學,科學家們將微型電路植入排列成平面、同心圓的銅圈中(有些像電爐的圈環)。結果是產生了陶瓷、特氟龍和混合纖維組成的精細混合物,銅條中的微型植入體使其可以用特定的方式彎曲和引導微波輻射。想像一下圍繞一塊巨石流動的河水。由於河水迅速繞過巨石,巨石會被朝著下游沖走。同樣的,超材料可以不斷改變和彎曲微波的路徑,這樣它們就繞著一個——比如說,圓柱體流動,基本上使圓柱體內的一切物質在微波內不可見。如果超材料能消除一切反射和陰影,那麼它就能確保一個物體在該種射線下完全隱形。

科學家們成功使用一個由10個覆蓋銅電元素的玻璃纖維環組成的裝置演示了這一原理。一個裝置內部的銅環幾乎在微波輻射下完全隱形,只投下了非常小的影子。 超材料的核心是它能夠控制一種叫做“折射率”的事物。折射是當光線穿過透明媒介時的偏折。如果你把手伸入水中,或者透過眼鏡的鏡片看自己的手,你會注意到水和玻璃扭曲並彎折了尋常光的路徑。 光在玻璃和水中會彎折的原因在於光進入一個密集、透明的媒介時會放慢速度。光在真空中的速度永遠保持一致,但穿透玻璃或者水的光必須穿過上萬億個原子,因此速度就慢了(被在媒介中減速的光所分割的光速稱作折射率。由於光在玻璃中減速,其折射率永遠大於1.0)。例如,真空中的折射率是1.0,在空氣中是1.0003,在玻璃中是1.5,在鑽石中是2.4。通常,媒介密度越高,彎曲的度數越大,於是折射率也越大。 折射率常見的實例之一就是海市蜃樓。如果你在炎熱的天氣開車並直視地平線,道路看起來可能會像是有微光閃爍,造成水光粼粼的湖面的幻像;在沙漠中人們有時能看到遠處的地平線上有城市和山岳的輪廓,這是因為從路面和沙漠升起的灼熱空氣密度低於正常空氣,因而折射率比周圍較冷的空氣要低,這樣,來自遠方物體上的光線會被從行道上折射到你的眼中,造成你正看著遠方事物的假象。 通常,折射率是一個常數。當一束窄小的光線進入玻璃時會被彎曲,隨後保持以直線前進。假設你可以任意控制折射率,那麼它便能在玻璃中的任意一點不斷改變方向。當光線在這個新的材料中移動,光能被彎曲並向不同的新方向流動,創造出能夠穿過整個物質的蛇形路徑。 如果能控制超材料內部的折射率,光就能從物體的周圍通過,這樣這個物體就能隱形。為了實現這一點,這種超材料必須具備負折射率,那是所有光學課本中都寫明不可能的事物(超材料是在1967年由蘇聯物理學家維克托·韋謝拉戈[Victor Veselago]在一份論文中首次理論化的,並被證明具有不同尋常的光學性質,如負折射率和逆多普勒效應[reversed Doppler effect]。超材料是如此的古怪和反常,以至於它曾被認為是不可能製成的。但在過去幾年中,超材料已經確實在試驗室中被製造出來,迫使滿心不情願的物理學家們改寫了所有光學方面的教科書)。 超材料的研究者們不斷受到記者騷擾,他們希望知道隱身衣什麼時候會被投放進入市場。答案是:近期不會。 杜克大學的大衛·史密斯(David Smith)說:“記者們打來電話,他們只是需要你說出一個數字。所需的月數,所需的年數。他們不停地追問追問再追問,於是你最後說:嗯,大概15年。如此他們便弄到了新聞的標題,不是嗎?15年做出哈利·波特的隱身衣。”這就是為什麼他現在拒絕給出任何詳細的時間表。 《哈利·波特》和《星艦迷航》迷們或許不得不等待。當真正的隱身衣在物理定律的範圍內已經成為可能,大多數物理學家認為,這一技術面前遺留的難以克服的技術障礙將是:把研究拓展到可見光,而不只是微波。 通常,被植入超材料中的內部組件必須小於射線的波長。比如,微波的波長可達約3厘米,因此能夠彎曲微波路徑的超材料必須具備被植入小於3厘米的微型植入體。但要使一個物體在波長為500納米的綠光下隱形,超材料必須具備只有約50納米長的內部構造,而納米是原子水平的長度單位,需要使用納米技術(1納米在長度上相當於1米的十億分之一。1納米大約可以容納5個原子)。這可能是我們在創造真正隱身衣的嘗試中要面臨的關鍵問題。超材料中的單個原子必須改進,以把光束彎曲成蛇形。 競賽在繼續。 自從宣布超材料已經在試驗室中被製造成功後,這一領域內已是風起雲湧,每隔幾個月就有新的進展和驚人的突破出現。目標很清楚:使用納米科技製造出能彎曲可見光而不只是微波的超材料。已經有數種方案被提出,全都很有前景。 有一種方案是使用現成的技術,即從半導體行業借用已有的技術來製造新的超材料。一種叫“光刻術”(photolithography)的技術在計算機微型化中處於核心地位,因此也推動著計算機革命。這一技術使工程師得以將數億個微型晶體管集成到一塊不超過拇指大小的矽芯片上。 計算機的處理能力每18個月翻一番(這被稱作“摩爾定律”)的原因是科學家使用紫外線輻射把越來越微小的零件“蝕刻”到矽芯片上。這一技術很像模板被用於生產彩色T恤的技術(計算機工程師從一塊薄片開始入手,隨後將多重材料組成的極薄外層置於其上。然後薄片被覆上一層塑料模,作為模型。其中包括電線、晶體管和組成電路系統基礎架構的計算機零件的複雜輪廓。接著,薄片被放置在波長非常短的紫外線射線中,射線將形狀印在光敏性晶片上。用特殊的氣體和酸處理薄片後,塑料模上的複雜電路就被蝕刻到薄片曾經暴露在紫外線光的部分上。這一過程會製造出含有數億微型溝槽的薄片,這些溝槽構成了晶體管的輪廓)。目前,使用這一蝕刻方法能夠製造出的最小部件尺寸大約30納米(或合長度約150個原子)。 當一組科學家使用這種矽芯片蝕刻技術製造第一種能在可見光範圍內起作用的超材料時,隱形探索的里程碑出現了。德國和美國能源部的科學家在2007年初宣布,有史以來第一次,他們製造出了一種能在紅光下起作用的超材料。 “不可能的事情”在短得不同尋常的時間內被實現了。 愛荷華州艾米斯試驗室(Ames Laboratory)的物理學家科斯達斯·蘇庫勒斯(Costas Soukoulis)與德國卡爾斯魯厄大學(University of Karlsruhe)的史蒂芬妮·林登(Stefan Linden)、馬丁·瓦格納(Martin Wegener)和岡納·道林(Gunnar Dolling)創造出了一種在波長780納米的紅光下具有-0.6的負折射率的超材料(先前,被超材料彎曲的射線的世界紀錄是1 400納米,這使其被排除在可見光光譜範圍之外,屬於紅外線範圍)。 科學家先使用一塊玻璃薄片,然後塗上一層銀、一層氟化鎂,隨後再上一層銀,形成了一個只有100納米厚的鎂“三明治”。接著,使用常規蝕刻技術,在“三明治”中製造出一大片顯微鏡下可見的方型孔,形成漁網狀的格子結構(方孔只有100納米寬,比紅光的波長小得多)。之後,他們把紅光光束射過這一材料,並測出它的折射率:-0.6。 這些物理學家預測了這一技術的許多種實際應用。超材料“有朝一日或許會促成在可見光譜範圍內起作用的超級透鏡的開發”,蘇庫勒斯博士說,“這樣的透鏡會帶來比傳統技術更為優越的解決之道,捕獲比光的波長小得多的細節。”這一“超級透鏡”的直接應用將是以前所未有的清晰度拍攝微型對象,比如一個活的人體細胞內部,或者判斷一個子宮內的嬰兒所患的疾病。理想的是,人們將得以獲得DNA分子組成部分的照片,而不必使用笨拙的X射線衍射晶體分析法(X ray crystallography)。 到目前為止,科學家已經證實了紅光的負折射率。他們下一步將是使用這一技術製造一種能將紅光完全彎曲繞過一個物體的超材料,使該物體完全在紅光下隱形。 順著這些道路進行,進一步的發展可能會發生在“光子晶體”領域內。光子技術的目標是創造出使用光,而不是電的芯片,以處理信息。這涉及使用納米科技將微型部件蝕刻到芯片上,這樣折射率就會根據每一個部件而變化。使用光的晶體管與使用電的晶體管相比有幾個優勢。比如,光子晶體的熱量損失要小得多(先進的矽芯片產生的熱量足夠用來煎雞蛋。因此,必須不斷給它們降溫,否則就會失靈。讓它們保持低溫費用高昂)。不出意料,光子晶體科學非常適合超材料,因為這兩種科技都涉及在納米量級操控光的折射率。 儘管還沒有作出超越,但還是有另一個科研小組在2007年中宣布他們已經使用一種完全不同的方法製造出了一種彎曲可見光的超材料,這種方法叫“等離子體光子”。加州理工學院(Cal Tech)的亨利·列茲克(Henri Lezec)、珍妮弗·迪昂(Jennifer Dionne)和哈利·愛特沃特(Harry Atwater)宣布,他們已經製造出一種在難度更高的藍-綠可見光光譜範圍內具有負折射率的超材料。 等離子體光子的目的是“擠壓”光,使我們可以在納米量級操控物體,特別是在金屬的表面。金屬之所以導電是因為電子鬆散地與金屬原子捆綁在一起,這樣它們就可以順著金屬的結構表面自由移動。在家中的電線裡流動的電流代表了這些金屬表面鬆散捆綁著的平穩電子流。但是,在特定條件下,當一束光撞擊金屬表面,電子會和原始的光束一致地振動,在金屬表面創造出波狀的運動(稱為等離子體),這些波狀運動又與原始的光束一致地振動。更重要的是,我們可以“擠壓”這些等離子體,這樣一來它們就與原始光束具備了同樣的頻率(因此也就攜帶了同樣的信息),但是波長卻小得多。從理論上來說,我們隨後可以將這些被擠壓了的波塞入納米線中。就如同使用光子晶體一樣,等離子晶體的終極目標是創造使用光,而非使用電進行運行的計算機芯片。 加州理工學院的小組使用兩層銀製造了他們的超材料,中間有一矽鎳絕緣層(厚度僅50納米),起到引導等離子體波方向的“波導”作用。激光通過兩條刻在超材料上的狹長切口進出儀器。通過分析激光在穿過超材料時的角度,我們可以證實光是被以負折射率彎曲的。 超材料的進步可能會在未來加快,簡單來說是因為在創造使用光束和非電力的晶體管方面目前已經存在巨大的需求。對於隱形的研究因此也能搭上進行中的以製造出矽芯片替代品為目的的光子晶體和等離子體光子的順風車。已有上億美元被投資於創造矽芯片替代品的技術,超材料的研究會從這些研究嘗試中獲益。 隨著在這一領域內每隔數月就產生突破,一些物理學家認為某種形式的實用性隱形盾牌可能會於幾十年內在試驗室中產生,這並不讓人驚訝。舉例來說,科學家們自信在未來幾年內將能夠創造出可以使物體至少在二維中完全在一種可見光頻率下隱形的超材料。要做到這點,微型的納米植入體必須不被固定為常規的陣列,而是以繁複的形式排列,這樣光束將會平滑地圍繞一個物體彎曲。 下一步,科學家們必須製造出能在三維中彎折光線的超材料,而不僅僅是在平面的二維表面。光刻對於製造平面矽晶片來說是完美的技術,但是製造三維超材料需要將晶片壘成複雜的形式。 此後,科學家們必須解決一個難題——製造出能彎曲不止一種、而是許多種頻率的超材料。這可能是最困難的一步,因為到目前為止設計出的微型植入體只能精確地彎曲一種頻率。科學家們或許不得不製造以多層次為基礎的超材料,每一層彎曲一種特定頻率。對這一問題的解決方法還不太明朗。 不過,一旦隱形盾牌最終被製成,它或許會是一個笨重的裝置。哈利·波特的隱身衣是用輕薄、柔韌的布料製成,並且能讓任何披著它的人隱身。但是為了實現這一點,隱身衣內部的折射率必須要隨著它的飄擺不停改變,而這是不切實際的。真正的隱身“衣”更有可能是用超材料組成的固體圓柱體構成的,至少最初會是這樣。如此一來,圓柱體的內部折射率就會是固定的(更加先進的隱形盾牌最終可能會加入柔韌的、能夠扭曲而且仍舊使內部穿過的光線沿著正確的路徑通過的超材料。通過這種方法,隱身衣內部的任何人都可以自如活動)。 有人指出了隱形盾牌的一個缺陷:任何處於其內部的人都無法在不現身的情況下看到外面。想像一下,哈利·波特全身都隱形,只有眼睛除外,它們看上去飄浮在半空中。任何隱身衣上為眼睛挖出的洞都能從外面清楚地看見。如果哈利·波特完全隱身,他就會兩眼一抹黑地坐在他的隱身衣下(這一問題的解決方法之一或許是在眼洞附近的位置放置兩塊玻璃片。這兩塊玻璃片可以起到“分光片”的作用,將很小一部分射在玻璃片上的分光走,隨後把光送入雙眼。如此,大多數到達隱身衣的光線就會繞著它周圍流走,保證隱身衣中的人隱形,但是有非常小的一部分光會被轉移到眼中)。 科學家和工程師們對於在未來幾十年中製造出某種形式的隱身盾牌非常樂觀,其程度抵得上這些困難所造成的悲觀。 就如我先前提到的一樣,隱形的關鍵或許是納米技術,也就是說操控十億分之一米直徑的原子尺寸結構的能力。 納米技術的誕生要追溯到1959年一場由諾貝爾獎得主理查德·費曼(Richard Feynman)向美國物理學會(American Physical Society)所作的講座,標題俏皮諷刺——“在底層有著巨大的空間”。在那場講座中,他預測了符合已知物理定律的最小機械可能呈現的形態。他意識到機械能做得越來越小,直到它們達到原子間距,然後原子可以用來製造其他機械。 “原子機械,比如動滑輪、槓桿和輪子,都處於物理定律的範疇之內,”他總結道,儘管它們會極其難以製造。 納米技術衰落了一些年頭,因為操控單個原子超越了當時的技術水平。但是,在1981年隨著掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope)的發明,物理學家作出了一個突破,它為在蘇黎世(Zurich)的IBM實驗室工作的科學家蓋爾德·賓尼(Gerd Bining)和海因里希·羅雷爾(Heinrich Rohrer)贏得了諾貝爾獎。 突然間,物理學家獲得了單個原子們排列成化學書中的模樣的驚人“圖像”,這是曾被原子理論的批評者們認為不可能的情形。排列在水晶和金屬中的原子的絢麗照片如今已成為可能。科學家們常常使用的化學式中有一系列複雜的原子包裹在一個分子中,可以用肉眼看見。此外,掃描隧道顯微鏡使得操控單個原子有了可能性。事實上,“IBM”三個字母被使用原子給拼寫了出來,在科學界製造了一陣轟動。科學家們在操控單個原子時不再茫然了,而是能夠確實看到它們,與它們嬉戲。 掃描隧道顯微鏡簡單得出乎意料。就如同一根唱針掃過一張唱片,一根探針慢慢地通過要被分析的材料(針尖極為尖銳,僅僅由一個原子組成)。一個小小的電荷被放置在探針上,一股電流從探針流出,通過整個材料,到底層表面。當探針通過單個的原子,流過探針的電流量便有所不同,這些變化被記錄下來。電流在流過一個原子的時候有漲有落,如此便極其細緻地探出它的輪廓。在許多的流通後,通過繪出電流量的波動,人們可以得到組成一個網格結構的單個原子的美麗圖片。 (掃描隧道顯微鏡是由於一條奇特的量子物理定律而變得可行的。通常電子不具有足夠從探針通過物體、到達底層的能量。但由於測不准原理[uncertainty principle],存在著電流中的電子能“鑽道”或穿透障礙的微小可能性。這樣一來,流過探針的電流就對於材料中的微型量子效應敏感。稍後我將更具體地探討量子理論的影響)。 探針也具有足夠的敏感度以移動獨立的原子,創造出由獨立原子組成的簡單的“機械”。這一技術非常先進,如今原子團可被陳列在屏幕上,隨後只需移動電腦的光標,原子就能按照你想要的任何方式移動。你可以像玩樂高積木一樣操控大堆原子。除了用獨立的原子拼出字母表上的字母之外,我們還可以製造原子玩具,比如用一個個原子製成的算盤。原子被排列在有縱向窄槽的平面上。這些縱向窄槽中可以放入碳做的(形狀像足球,但是由一個個碳原子組成)。隨後,這些球就可以在各條窄槽中被移上移下,這樣一來就做出了一個原子算盤。 使用電子束雕刻原子裝置也是有可能的。例如,康奈爾大學(Cornell University)的科學家們已經製造出全世界最小的吉他,比一根頭髮要小20倍,用水晶矽雕刻而成。它有六根弦,每根有100個原子粗,這些琴弦可以在原子力顯微鏡(atomic force microscope)下彈撥(這把吉他確實可以彈出音樂來,但它產生的音頻遠遠高過了人耳的聽力範圍)。 目前,這些納米技術“機械”大多只是玩具。有齒輪和滾珠軸承的更為複雜的機械尚未製造出來。但許多工程師信心十足地認為,我們能夠製造真正的原子機械的一天終將到來(原子機械其實在自然界已被發現了:細胞可以在水中自由游動,因為它們能夠擺動細微的毛。但是當我們分析毛和細胞之間的連接處時,我們會看到事實上是一個原子機械使毛能朝各個方向移動。因此,發展納米技術的關鍵之一是模仿自然,自然界在數十億年前就掌握了原子機械的技藝)。 另一種能使人部分隱形的方法是拍攝一個人身後的背景,然後將這一背景影像投射到這個人的衣服上,或者一塊他身前的屏幕上。從前面看起來這個人似乎變得透明了,光以某種方式不偏不倚地穿過了他的身體。 東京大學田智實驗室(Tachi Laboratory)的川上直樹(Naoki Kawakami)一直在為這一方法努力工作,這種工藝被稱為“視覺偽裝”(optical camouflage)。他說:“這將被用於幫助飛行員透過機艙地板觀看下面的跑道,或者幫助試圖看到護欄另一側的司機泊車。”川上的“隱身衣”覆蓋著微小的反光小珠子,起到電影銀幕的作用。一台攝像機將衣服背後的影像拍攝下來,隨後這一影像被輸送到一台放映機裡,放映機將衣服的前面照亮,這樣一來,看上去就像光穿過了這個人似的。 視覺偽裝的雛形事實上存在於實驗室中。如果你直視一個穿著這件銀幕似的袍子的人,那個人看起來會像是已經消失了,因為你看到的只有他身後的東西。但是如果你將視線稍微動一動,而袍子上的圖像不會改變,這就讓你知道那是個假象。更為逼真的視覺偽裝需要製造出3D影像的幻象。為了達到這一目的,我們需要全息圖。 全息圖是激光製造的3D影像(例如《星球大戰》中萊婭公主的3D影像)。如果周圍景色被一個特殊的全息照相機拍攝下來,隨後全息圖像被投射到一個人身前的一整片全息銀幕上,那麼這個人可以處於隱身狀態。站在那人跟前的觀看者會看到有著背景景色3D圖像的全息銀幕,人本身缺省。就算移動視線,你也無法確定自己所見到的是假象。 這些3D圖像是由於激光“相干”而成為可能的,即所有的波完全共振。全息圖像是通過將一束相干涉的激光分裂成兩片而產生的。一半的光束照射在照相膠片上,另一半照射到一個物體上,被彈開,然後反射到同一張照相膠片上。當這兩股光束在膠片上產生干涉,一種干涉圖形就形成了,並且將原始3D光波的所有信息都編碼。膠片上隨後會出現錯綜複雜的蜘蛛網樣(看上去不怎麼像)迴旋和線條。但是隨後會有一束激光被投射到這張膠片上,一個原始物體的精確3D複製品突然間就像被施了魔法一樣出現了。 然而,全息隱形的技術問題是難以克服的。其挑戰之一是製造出1秒鐘至少能拍攝30幀畫面的全息照相機。另一個問題是儲存和處理所有的信息。最後,我們必須把這幅圖像投射到一塊銀幕上,這樣圖像看起來會顯得真實。 我們還必須說說一種更為複雜的隱形方法,威爾斯在《隱形人》中提到了它。這種方法涉及使用第四維度的力量(在本書中我稍後會更加詳盡地探討高維空間存在的可能性)。我們是否可能離開我們的三維宇宙,從四維空間的有利地點在其之上翱翔呢?就像一隻三維的蝴蝶在一張二維的紙片上面飛舞一樣,我們對於任何生活在我們下方宇宙中的人都是隱形的。這個想法有一個問題:高維空間的存在尚未被證明。而且,去往一個更高維度的假想旅行需要的能量遠遠超過我們現有科技可實現的水平。作為一種實現隱形的可行方法,這一方法無疑超過了我們當今的知識和能力。 鑑於迄今為止在實現隱形方面的巨大進展,它具備了“一等不可思議”的資格。在未來幾十年中,或者至少這個世紀之內,某種形式的隱形將會變得稀鬆平常。
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