隐身漫谈

作者: 叶德信, 郑斌, 陆凌

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2018-04-19 12:04:50

本文探讨了隐身技术的历史、原理及现代发展,介绍了三种主要的隐身方法及其应用,包括使物体散射光与背景相同、使散射光不进入探测器、以及使散射光完全消失的技术。文章还提到了隐身技术在军事和民用领域的潜在应用,如隐身飞机、舰船和自隐身材料。

从古代道家的隐身符到哈利波特的隐身衣,人类对隐身“超能力”的追求古老又神秘。而从隐身飞机到隐身舰船,社会对隐身技术的需求既强烈又实际。现代科技的发展给了我们信心,隐身不只是一种“超能力”,而是一种实实在在的技术。在谈隐身之前首先要知道为什么我们能看见物体。从光学角度来讲,当空间中的光照射到物体表面时,物体会向各个方向散射(包括了反射和透射)不同颜色(波长或频率)的光波。

这些散射光进入人的眼睛后,会在视网膜上呈现出各种形状、颜色的像。简而言之,我们通常是通过接收物体的散射光来探测物体的。怎么样才能使物体不被看见,实现隐身呢?根据实现原理的不同,分为以下3种方法。第一种方法,使物体的散射光与背景环境的散射光特性相同,令观察者即使探测到物体的散射光,也无法把物体从其背景环境中区分出来,这也是一种隐身技术。

第二种方法,使物体的散射光不进入特定位置上的探测器,这可以通过吸收探测光或将散射的探测光分散到探测器以外的方向来实现。第三种方法,使物体的散射光完全消失,即让探测光完美匹配透过或者绕过物体,实现全方位隐身,这是近年来兴起的科学前沿热点。首先是第一种隐身方法:使物体的散射光与背景环境的散射光特性相同,让物体完全融入背景环境,从而实现隐身。

实际上,基于这种机制的隐身现象在自然界中就存在,自然选择让很多生物具备了这种隐身技能,有利于它们趋利避害。然而,上述两种动物的隐身技能是非适应性的,它们无法适应环境的改变。但另外还有一些生物,比如变色龙、章鱼等,却具有适应性隐身技能。军事上常用的如植物伪装、迷彩服装等正是利用了植物、涂料、染料和其他材料来改变地面作战人员或武器的外表颜色及图案,用以消除它们与背景环境的差异,使战士和装备不容易暴露。

第二种隐身方法是:完全吸收探测光或将探测光散射到其他方向,使物体的散射光不进入探测器视野,从而实现隐身。这种隐身机制的重点在于,尽管无法完全消除物体的散射光,但只要保证散射光不返回或只有极小部分返回探测器,仍能实现物体对探测器的隐身,这类似于在黑夜中穿上黑衣服不易被人发现。隐身飞机的隐形方法存在的主要不足是仅能对特定方位的探测器隐身。如果同时在飞行器周围的多个方向放置探测雷达,该隐身方法即失效。

怎么样才能实现物体同时对所有方向的探测器隐身呢?我们来介绍第三种隐身方法:让探测光完美透过或者绕过被隐身的物体,使物体所有方向的散射光消失。这是目前理论上最有效同时实现难度也最大的隐身方法。2006年,英国帝国理工大学的Pendry教授基于麦克斯韦方程的坐标变换方法把隐身区域和外界在光学上完全隔离,这样在隔离区域内的任意物体便和外界不发生任何光学作用,因此无法被探测,如同披上了隐身衣。

2013年,浙江大学陈红胜教授、郑斌博士及其合作者摒弃透射波相位要求一致的条件,实现了特定角度的宽带可见光隐身结构。2016年,浙江大学叶德信副教授和中国科学院物理研究所陆凌研究员合作提出了一种电磁属性和空气一模一样的人造结构,在任意方向均能实现完美匹配透射的自隐身材料。这种全向自隐身材料相对来说很容易实现,因此具有潜在的实际应用价值,尤其是在窄带宽应用领域。

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