隐身在未来或许不再是一种超能力
大家好，我是陆凌，非常荣幸能和大家交流，今天我带来的分享是隐身其实是一门技术活。从古至今，隐身一直是人类追求的梦想。早在秦汉时期，中国就有隐身术的记载。当时的道家方士们研究过隐身，但现在看来，那些方法都是有点可笑的。例如，古代有一个隐身的方法，叫做一叶障目。如果你找到了螳螂捕蝉时用来伪装的那片叶子，把它攥在手心，放在眼前，周围的人就看不到你了。
古代有一个书生听信了一叶障目的方法，他立刻跑到集市上去拿东西。结果可想而知，于是就留下了一叶障目的笑话。但是，中国古代的很多哲学思想确实与隐身的思路不谋而合，首先就是天人合一，即人和自然、环境的完美融合。
如果你仔细观察下图，你可能会发现在画面的中央有一个行为艺术家。他做上人体彩绘，巧妙地和周围的城墙、山景融合到了一起，我们很难发现他的存在。
几年前，四川某派出所接到报警电话，家长说家中的两个小孙子不见了，找了大半天也找不到。最后在山脚下的一个泥池塘里，民警发现了玩得正欢的他们。他们身上裹着泥浆和泥土，与周围山景完全融为一体，所以怎么找也找不到。以上的两种隐身方式都不太干净，回家后还要洗澡。有没有不用洗澡的隐身术呢？
下图这位先生很聪明，他巧妙地将平板电脑拍到的天空图片展示在屏幕上，用平板电脑挡住自己的脸。
我们从正面看，后面的天空景象依然完整，就不会注意到屏幕背后有他的脸。平板电脑的显示屏面积是有限的，所以他能隐身的区域也是有限的。我们暂且称他为小隐，怎样才能大隐呢？中国古人云：小隐隐于山，大隐隐于市。前些年，韩国建造了一幢摩天大厦，被称为隐身大厦。大厦隐身的原理和上述例子类似，用非常多的电子显示屏铺满整个大厦的外墙，屏幕显示大厦背后360度的景象，一幢摩天大厦就在城市的正中央消失了。
该幢大厦的建造成本非常高，而且电子显示屏也非常耗电。不为人知的是，其实大自然中隐藏着更高超的隐身技术。
下面这段视频是在海底拍摄的。画面的正中央是一个珊瑚，有一条小鱼游了过来，似乎什么都没有发生。如果我们靠得更近，会发现有一只白色的章鱼，它受到了摄影机的惊吓，吐了一口墨汁后就游走了。当它张开躯体时，我们会发现它的颜色和图案可以瞬间变化，是不是非常神秘？在视频的第二部分，有一个慢动作倒播的画面。
软体章鱼可以在三维立体层次的各个方面变换形态、表皮的颜色和图案，甚至是表面的一些微小结构，以至于我们无法分辨它和它生存的环境。章鱼为何会有隐身术呢？奥秘就在它的表皮结构中。章鱼的表皮结构章鱼表皮有成千上万的小色素块，有黑色、棕色、白色、青色和黄色。它的奥秘是软体组织，可以瞬间张开或者缩小这些小色素块，以至于在某个时候会呈现出白色的底色，或者是棕色的表面颜色。章鱼还有很多其他的结构和颜色的变化能力。
它背后的物理原理是什么？章鱼的表皮分为很多层，每一层都有不同颜色的色素块。每一个色素块都与周围的肌肉组织紧密相连，它可以瞬间拉伸或者缩小这些颜色，变化前、后的面积差别可以达到一百倍。章鱼表皮色素块的变化在不久的未来，借助章鱼的“隐身术”，像电子皮肤、电子衣服的隐身科技或者产品可能会出现。其实不止是章鱼，所有的软体动物门的头足动物，例如鱿鱼、乌贼，它们都有类似的变换能力。
但是，从严格意义上讲，它们都是一种伪装术，并不是一种高级意义上的隐身。我们可以看到它，只是无法分辨它和它所在的环境。
我们可以用中国古人的思想来阐述更高级的隐身术。老子用“上善若水”表达对水的敬意和赞美。水从它的源头慢慢流出，岩石、峭壁的存在使它一路上经过了千难万险，但是它可以非常平静地绕过障碍物来到你的面前。当你看到它的时候，你并不知道它所经历的过程。
隐身术也希望做到同样的事情，让原本直线传播的光线达到绕行后继续前行的效果。这听起来非常梦幻，但是它并没有想象中那么难做到。下图的演示实验，是在罗切斯特大学拍摄的。在画面的正中央，有一个大男孩靠着墙站着。其实他的弟弟就站在他前面，但大家最初看不到。两个人的位置互换后，大家就看不到大男孩的腿了，但是可以看到他的弟弟蹲在后面。这是为什么呢？
因为小男孩的面前放置了两面镜子，边上还有另外两面镜子来辅助隐身实验。隐身实验的原理如下图所示。熊猫所处的位置是可以隐身的，蓝色的几根线代表四面镜子，它们两两互相成直角并排放着，红色是光行进的路线。当观察者在屏下方时，光经过四次反射，绕过了熊猫所在的区域，但你依然能够看到熊猫背后的景象。每个人都可以做这个隐身实验，取四面镜子按照位置放置，躲在熊猫所处的地方，大家就看不见你，但能看见你身后的区域。
如果将四面镜子扩展到八面，相当于在屏幕的上下方做了镜像，熊猫所处的空间已被完全孤立，我们无法看到这个空间。但是这个实验要求观察者必须在图片的左右方，只能在这两个方向达到隐身效果。如何才能在所有的方向达到隐身呢？我在浙江大学的合作者，陈红胜教授有一个更巧妙的设计，将六块玻璃组成六角形的柱状结构。从光线行进的演示中可以看到，中间的区域是隐身的。下面这段实验是在鱼缸的侧面拍摄的。
小鱼露出了半个脑袋，但我们依然看不见它的身体，而后面的水草却清晰可见。它是一条活生生的鱼，身体表面的颜色非常鲜艳。但是，在一个白色布景、光照充分的情况下，我们却看不到它。金鱼隐身实验原理图把这个六角形的隐身装置放在鱼缸中间，当小鱼游进柱状体时，在鱼缸一侧的观察者只能看到背后的水草，而看不见这条小鱼。如果用红外照相机来拍摄黑暗中的人，依然可以看到图像。
因为人是发热的，红外相机可以捕捉到人不断发出的红外波段的电磁波。在红外照相机拍摄六角形隐身装置时，我们能看到什么样的图像呢？下图中有一只小老鼠，它的体温是热的。但是，当它一半的身体坐进隐身结构时，我们完全看不到它。红外照相机拍摄六角形隐身装置所以即使是夜视镜，我们也无法看到隐身区域的物体或者人。这个隐身结构非常好，它能够做到在可见光和红外光的情况下都达到隐身效果。
但是，它依然存在缺点，只能在六个方向达到隐身效果。如果观察的角度偏折五度或者十度，就无法达到隐身效果。更加完美的隐身需要做到各向同性的效果。只有柱状体、圆形的结构，才能达到中间区域和外界在光学上完全隔绝，观察者在任何角度都不会发现物体。但是，完美隐身的要求对科学家的挑战非常大。在原理上，我们必须摒弃刚才所说的，只用直线来描述几何光学概念。
我们需要充分考虑光的波动性。
在微观层面，光线都是电磁波，即电场在时间和空间上一个周期的运动。下图是理论仿真动画，其中红色和蓝色的条纹表示电磁波的波峰和波谷。一束波从左边传来，从右边出去，但它完全侦查不到中间的隐身区域，达到了完美的隐身效果。该案例看上去似乎是完美的，各个角度都能隐身，但完美是需要付出代价的。第一是它只能对固定波长达到隐身的效果。
如果我们将红蓝间的间隔波长变大或者变小，它无法从左到右完美地透射，也无法把周边匹配得这么好。第二是它依然存在绕行隐身术的通病，隐身是相对的。在隐身区域中的人不能被外面的观察者看到，同时他看不见外面的图像。第三点涉及到实际应用。例如，运用以上的隐身原理来使飞机隐身是几乎不可能的，我们需要造一座足球场放在飞机的周围，才能让它做到隐身。怎样才能让一架飞机完美隐身呢？
或者说目前最好的科学技术，能做出什么样的隐形飞机呢？我们需要了解所谓的隐形飞机的隐形基本原理。首先是在微波阶段探测飞机。微波是微波炉或者手机这样的信号，用的是雷达，它侦查的原理是从不同的方向往空间发出电磁波。如果飞来一架民航飞机，一定会有部分的电磁波按原路反射，会被雷达探测到。我们就会知道在多高的高空，有一架飞机正在以多快的速度飞行。如果敌方来了一架侦察机，它是一架隐形的飞机。
外表形状和涂层都经过严密的设计，它的反射波绝对不会沿着原路返回，反而会被吸收掉一部分，反射波也往其他的方向去了。所以，对于这一个雷达来说，侦察机确实是隐形了。如果在四面八方、天上地下都放上雷达，打造雷达网络协同工作，目前是没有技术能够让一架飞机真正在天空中消失的。正是带着这样的想法，我和我在浙江大学的合作者叶德信教授找到了一个不一样的思路。
我们设计了一种隐身材料，由隐身材料组成的结构可以是任意大小和形状。我们把它画成了一架飞机的形状，它也可以是坦克、或者一个建筑。无论怎样，电磁波都会完美地穿透它继续前行，不发生任何的改变。更难能可贵的是，它在实验上也非常容易实现。它所需要的材料只有铜和常见的塑料，其中细节的结构和连接方式都经过了非常仔细的设计。
在这个复合材料里，电磁波的传播速度和在空气中完全一样，无论是什么形状或大小，都不会对电磁波产生任何的干扰。相比于前面所提的光线绕行的思路，这个是完全敞开的设计。
这样的隐身材料，不但在军事上会有很大的潜在应用前景，也与每个人的生活息息相关。例如，路由器附近的上网速度非常快，但到其他房间、其他角落，我们会发现网络信号很弱，上不了网。或者当你一边打电话一边走进电梯时，信号很可能会断。
因为建筑墙体或电梯的金属材料，并不是上述的隐身材料，都会强烈的散射、或者阻拦电磁波的传播。如果用上述的复合材料做成建筑或者电梯，我们的生存空间不需要这么多的路由器和信号发射塔，就能拥有更有效、更节能的通讯。希望这一系列的介绍，大家能和我一样有信心——隐身在未来将不再是一种超能力。我的分享到此结束，谢谢大家！