哈利·波特的隐身衣要成真了？从雷达隐身到可见光"消失术"

披上斗篷，瞬间消失在众人眼前，这是《哈利·波特》里最令人着迷的魔法之一。

在《星际迷航》中，飞船打开"隐形装置"，就能从敌人的雷达和视野中彻底消失。

长久以来，隐身被视为纯粹的幻想。但在过去二十年里，物理学家正在用一种全新的材料和思路，把这个梦想一点点拉进现实。

从让战机躲过雷达，到让光线"绕道而行"，人类离真正的隐身斗篷，也许比想象中更近。

隐身的本质：让光"绕开"你

我们之所以能看见一个物体，是因为光照射到它身上，再被反射或散射进我们的眼睛。

如果光线能够像河水绕过石头一样，绕过物体后再恢复原来的路径，观察者看到的就只是物体背后的景象。

这正是现代隐身技术的核心思路：不是让物体变透明，而是引导电磁波绕道而行。

人类最早实现的"隐身"，其实是雷达隐身。隐形战机通过特殊外形和吸波涂层，减少雷达波的反射。

这种技术早在上世纪后期就已投入实战，美国的F-117和B-2等隐形飞机就是代表。

不过，这种隐身只对波长较长的雷达波有效，对人眼依然毫无作用。一架隐形战机停在跑道上，任何人都能一眼看到它。

要骗过人的眼睛，难度要大得多。可见光的波长只有几百纳米，比雷达波短上万倍，所需的结构也必须精细到纳米级别。

结构越精细，制造难度就越大，成本也越高。这正是可见光隐身迟迟难以突破的重要原因。

超材料：自然界没有的"魔法布料"

图中所示的B-2“幽灵”隐形轰炸机是一款低可探测性飞机，这意味着其被雷达探测到的横截面远小于其实际尺寸。它通过降低视觉、红外、雷达、热成像和声学测量特征，使其成为一款低可探测性飞机。其机翼设计、复合材料以及（保密的）特殊涂层都旨在降低其可探测性，使其成为当今地球上最隐蔽、最难探测的飞机之一。图片来源：美国空军

突破来自一种叫"超材料"的人造材料。超材料由精心设计的微小结构单元排列而成，它的光学性质主要取决于结构，而不是成分。

通过设计这些结构，科学家可以让材料对电磁波表现出自然界中不存在的特性，比如负折射率。

2006年，英国帝国理工学院的物理学家约翰·彭德里等人提出了"变换光学"理论。

这一理论把电磁场映射到一张可以随意扭曲的网格上。只要按正确方式弯曲光线，就能让光绕过网格中心的物体，从而把它"藏"起来。

同年，美国杜克大学的研究团队就用超材料制成了一个微波隐身装置，让一个铜柱在特定频率的微波下几乎"消失"。

此后，各国科学家不断扩展隐身的波段。到2016年前后，已有多层超材料隐身结构，能够覆盖从红外到无线电的宽广频段，但依然无法覆盖可见光。

中国、英国、德国等国的研究团队也相继报道了各具特色的隐身装置，有的利用天然晶体，有的能在特定角度下隐藏厘米级物体。

超透镜：一片薄如光波的"魔镜"

另一条关键线索，来自对透镜的革新。

这张《星际迷航》飞船——罗慕伦猛禽战舰的示意图，展示了可以说是最著名、最常见的、经常使用隐形装置的飞船。从侧视图、仰视图、俯视图以及前视/后视角度观察，这艘飞船在未隐形时看起来像鸟或飞船，但在隐形时则完全隐形，因为隐形装置本身会折射光线。图片来源：bagera3005/deviantART/cca-3.0

普通透镜有一个老毛病，叫"色差"：不同颜色的光折射程度不同，无法聚焦在同一点上，导致图像边缘出现彩色模糊。

为了消除色差，现代相机往往要叠加多片镜片。这让镜头变得又重又厚，也更加昂贵。

美国哈佛大学费德里科·卡帕索领导的团队，另辟蹊径研发出"超透镜"。它的厚度只有大约一个光波波长，由表面密密麻麻的纳米柱构成。

2018年，该团队在《自然·纳米技术》上发表成果，报告了一种"宽带消色差超透镜"。

这种超透镜利用二氧化钛纳米鳍结构，根据光的波长引导光线穿过材料的不同部分，从而让多种颜色的光聚焦到同一点。

纳米鳍的尺寸只有头发丝直径的千分之一左右，它们像一排排微型"路标"，为不同颜色的光指引不同的路线。

由于超材料、纳米透镜和变换光学技术的综合进步，将光线弯曲绕过物体并显示背景以及来自任何角度和距离的入射光的能力可能会成为现实。（图片来源：罗切斯特大学）

论文作者陈维廷解释说，把两个纳米鳍组合成一个单元，就能调节光在纳米结构材料中的传播速度。与传统的复合消色差透镜相比，这大大降低了厚度和设计复杂度。

这款超透镜能够覆盖约470纳米到670纳米的波长范围。而人眼可见光的范围大约是400纳米到700纳米，可以说已经覆盖了可见光的大部分区域。

离真正的隐身斗篷还有多远

超透镜本身并不能让物体隐身，但它证明了一件关键的事：人们可以在极薄的材料上，同时精确操控多种颜色的光。

近二十年前，第一批二维隐形斗篷问世，它只能在特定角度下隐藏物体。如今，我们正致力于研发真正的三维隐形斗篷，使物体能够在三维空间中全方位隐藏。图片来源：II Smolyaninov 等人，《光学快报》，2008 年

而这恰恰是可见光隐身最大的难题。过去的隐身装置往往只能针对单一波长起作用，换一种颜色就会"露馅"。

如果把超材料引导光线"绕路"的能力，与超透镜宽波段操控光线的能力结合起来，一件在可见光下起作用的隐身斗篷，就有了实现的可能。

当然，挑战依然巨大。真正的隐身斗篷需要在三维空间中、从各个角度、对所有颜色的光同时起作用，还要能弯曲、能移动。

左图：无限长的完美电化学（PEC）圆柱体在平面波作用下的横截面图。可以观察到散射场。右图：利用变换光学技术设计的二维隐身斗篷用于隐身该圆柱体。在这种情况下，不存在散射，因此该圆柱体在电磁波中不可见。图片来源：Physicsch/Wikimedia Commons

目前的实验装置大多尺寸很小、角度有限，离"披在身上"还相去甚远。

不过，超透镜的近期应用已经十分清晰。它有望让手机相机、虚拟现实头显、显微镜和医疗设备变得更轻、更薄、更便宜。

有物理学家乐观地预测，一种能在可见光下工作的三维光学隐身装置，或许会在未来一二十年内出现。

一束阳光（或许是白光的最佳例证）穿过棱镜时的行为，展现了不同能量的光在介质中传播速度不同，但在真空中传播速度却相同。这就是为什么不穿过折射介质的光始终保持白色的原因。需要注意的是，这里展示的可见光只是我们肉眼可见的阳光；除了可见光之外，还存在其他波长的光。图片来源：Kelvinsong/Wikimedia Commons

曾经，人们认为隐身只能在极窄的波段和特定条件下实现。如今，这道看似不可逾越的门槛，正在一点点松动。

或许有一天，哈利·波特的隐身斗篷不再只存在于书页之间，而是真正出现在实验室乃至我们的生活中。