一座摩天大楼如何在市中心完美的“隐身”?
2020-09-25 10:39

一座摩天大楼如何在市中心完美的“隐身”?

“隐身的思路和中国古代很多哲学思想不谋而合,其中一个就是天人合一:人和自然、环境的完美融合。”本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:陆凌,题图来自:《少数派报告》剧照截图



陆凌,中国科学院物理所研究员,北京凝聚态物理国家实验室研究员


今天想给大家介绍:隐身其实是一门技术活。


从古至今,隐身一直是人类的一个梦想。


中国早在秦汉时期就有对隐身术的记载。当时的道家方士们研究过隐身,但现在看来,那些方法都是接近可笑的。


非常经典的例子就是一叶障目,说的是有这样一个隐身的方子: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。


古代有一个书生真的这么做了,他立刻跑到集市上去拿东西。


那结果也可想而知,也就留下了一叶障目这样一个笑话。


但中国古代很多哲学思想确实是隐身的思路,第一个就是天人合一:人和自然、环境的完美融合。



如果你仔细看下方这张图,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,从这个角度你很难发现他的存在。



第二个例子更加有意思一点,那是在几年前,四川某派出所接到一个电话,说家中两个小孙子不见了,找了大半天也找不到。


结果民警就在山脚下的一个泥池塘里发现了玩得正欢的他们。


下图是其中的一位。因为他身上裹着很多泥浆和泥土,和周围山景完全融为一体,所以怎么找也找不到。


所以有网友们就戏称,这两个小隐身人长大了肯定是特种兵的好料子。



但这两种方式就是不太干净,最起码你回家都得洗个澡。那么有没有不用洗澡的隐身术呢?


小隐隐于山,大隐隐于市


这位先生做的事情就很聪明,他巧妙地将平板电脑拍到的图片展示在前面的屏幕当中。


从这个角度看过去,后面的天空景象依然非常完整。这样一来,你就不会注意到这屏幕背后有他的脸了。



毕竟这个显示屏的面积是有限的,所以他能隐身的区域也依然是有限的。


我们可以暂且称他为小隐,那怎么才能大隐呢?


中国古人云:小隐隐于山,大隐隐于市。


前些年,韩国正在建造一幢摩天大厦,被称之为隐身大厦。


其隐身的原理和上述提到的类似。用非常多的电子显示屏铺满整个大厦的外墙,将背后360度的景象都显示在墙体时,一幢摩天大厦在城市的正中央消失了。



当然这么做的代价是非常高的,也非常耗电。


其实大自然中就隐藏着更高超的隐身技术。


大自然的隐身术


下面这段视频是在海底拍摄的。在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。




如果你靠得更近的时候,哇!原来有一只白色的章鱼,它受到了摄影机的惊吓,吐出了一口墨汁后游走了。


当它游到这边的时候张开它的躯体,你就会清楚地发现它的颜色和图案都是可以瞬间变化的,是不是非常的神秘?


在上面视频的第二部分有一个慢动作倒播的画面,可以看到软体的章鱼可以在三维立体层次的各个方面变换自己的形态、表皮的颜色、图案、甚至是表面的一些微小的结构,以至于说你无法分辨它和它生存的环境。


章鱼究竟是怎么得到它的隐身术呢?奥秘就在它的表皮结构中。


这一张是章鱼表皮的图像,可以看到非常多的成千上万的小色素块,有的是黑色,有的是棕色,也有白色的底色,还有青色和黄色的效果。



它的奥秘是软体组织,可以瞬间张开或者缩小这些小的色素块,以至于达到在某个时候是白色的底色,或者棕色的表面颜色。


当然,它还有非常多其他的结构和颜色的变化能力。


那么它背后的物理原理是什么?


原来章鱼的表皮是分非常多层的,每一层都有不同颜色的色素块。


它每一个色素块都跟周围的肌肉组织紧密相连,所以它可以瞬间拉伸或者缩小这些颜色,变化之前和之后的面积差别可以达到一百倍。



现在我们非常清楚这个章鱼隐身的本领了,下面就让我们来玩一个找章鱼的小游戏。


大家看一下另外一个视频,这个时候依然是在水下,但是更高清、更鲜艳。大家能不能看到一条章鱼?




有了章鱼这样一个演示,我们不难想象在不久的未来,我们可能会有像电子皮肤、电子衣服这样的隐身科技或者产品出现。


其实不止是章鱼,所有的头足动物门、软体动物,常见的比如说像鱿鱼、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。因为你毕竟是可以看到它的,只是无法分辨它和它所在的环境。


光线绕行的隐身原理


更高级的隐身术其实也可以用中国古人的思想来阐述。


老子用“上善若水”来表达对水的敬意和赞美。


确实可以看到,水从它的源头慢慢地流到你的跟前,因为有岩石、有峭壁,一路上经过了千难万险,但是它都可以非常平静地绕过这些障碍物来到你的面前。


而当你看到它的时候,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——就是让原本直线传播的光线达到一个绕行然后继续前行的效果。


这听起来非常的梦幻,但是它其实并没有那么难做到。


这是一段演示实验,是在罗切斯特大学拍摄的。


在画面的正中央,大家看到的是一个大男孩靠着墙站着。


其实,就在他的跟前站着他的弟弟,但大家刚才就看不到他。



把两个人的位置互换一下,大家看不到这个大男孩的腿了,但是后面却蹲着他的弟弟。


这是为什么呢?


也不难理解,因为这个小男孩的面前放置着两面镜子,以及边上还有另外两面镜子来辅助这样的隐身实验。


它的原理图展示在下方,熊猫这个位置是可以隐身的。


蓝色的几根线代表的是四面镜子,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,光经过四次的反射,绕过了熊猫所在的区域,所以你依然能够看到熊猫背后的景象。这就是刚才这个实验的基本原理。


每个人都可以做这个隐身实验。只用取四面镜子,放置成这样的位置。


躲在这个小熊猫在的地方,大家看不见你,但能看见你身后的区域。


如果将刚才的四面镜子扩展到八面,就是在屏幕的上下方做了一个镜像,可以看到小熊猫的这块空间已被完全孤立起来,这块空间你是完全看不到的。



但是这要求的是观察者在图片的左右方,也就是说只能在这两个方向达到隐身的效果。


如何才能在所有的方向达到隐身呢?


这是一个更巧妙的设计,是我在浙江大学的合作者陈红胜教授的构思——有六块玻璃,把它组成六角形的柱状结构。


从光线行进的演示可以看到,中间的这块区域就是隐身的。


这块隐身的结构能给我们带来什么样的视觉震撼?


这是在鱼缸的侧面拍摄的一个画面。鱼缸里肯定是有鱼的,但鱼在哪里呢?



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。


它是活生生的一条鱼,而且它身体表面的颜色非常鲜艳。但是在这样一个白色布景、光照充分的情况下你却看不到它。


这是上述实验的原理图——把这个六角形的隐身装置放在鱼缸中间,所以当小鱼游进这个柱状体的时候,在鱼缸一侧的观察者却只能看到背后的水草,而看不见这条小鱼。



但如果用红外照相机来拍摄黑暗中的人,依然可以看到其图像,因为人是发热的,不断在发出红外波段的电磁波,红外相机可以捕捉到。


上述提到的六角形隐身装置用红外照相机能看到什么样的图像呢?


上面这张看到的是一只小老鼠,大家可以看到它的体温是热的。


下面这张图片中,它一半的身体是坐进了这个隐身结构里面,所以你完全看不到它。



所以就算是夜视镜,你也看不到这个在隐身区域的物体或者人。这个结构可以说是非常好了,因为它能做到可见光、红外光都隐身。


但是它的缺点在哪里?


在于它还是只能在六个方向达到隐身的效果。


如果你的角度稍微偏折一些,五度到十度,这就不起作用了。


所以更加完美的隐身需要做到的是各向同性的效果,也就是柱状体、圆形的结构,才能达到中间这块区域和外面在光学上完全隔绝的程度,任何角度的观察者都不能发现它。


但这样的一个完美隐身的要求,对科学家们的挑战是非常大的。


在原理上,我们就必须摒弃刚才所说的,只用直线来描述的几何光学概念。


追求完美的隐身术


我们需要充分考虑光的波动性。


从微观的角度来说,光线在微观层面都是电磁波,也就是电场在时间和空间上一个周期的运动。


下图是学生做的一个理论仿真动画。红色和蓝色的条纹,表示的是这些电磁波的波峰和波谷。



所以看到的其实是一束波从左边传来,从右边出去,但对于中间这个隐身的区域,它是完全侦查不到的,可以说是达到了完美的隐身效果。


但在追求完美的过程中,大家可能会有体会——完美是需要付出代价的。


上面的例子看上去似乎是完美的,因为各个角度都能隐身。那它付出的代价是什么呢?


第一是它只能对一个固定波长达到隐身的效果。如果我们将这个红蓝之间的间隔,波长变大或者变小的话,它无法从左到右这么完美地透射,也无法把周边都匹配得这么好;


第二是这一类绕行隐身术的通病: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,但同时,他看不见外面的图像;


第三点涉及到实际的应用。比如运用以上隐身原理来使飞机隐身是几乎不可能的。从几何的比例上就会发现,我们需要造一座足球场放在它的周围,才能让这架飞机做到隐身。


那怎样才能让一架飞机完美的隐身呢?或者说现在最好的科学技术能做出什么样的隐形飞机呢?


我们先介绍一下现在所谓的隐形飞机的隐形基本原理。


首先对飞机的探测是在微波阶段。微波就是大家用的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。


这时候如果来了一架民航飞机,那一定会有部分的电磁波是按原路反射的,会被刚才所提的雷达探测到——我们就知道在多高的高空,有一架飞机正在以多快的速度飞行。


如果现在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,反射的部分往其他的方向去了。



所以对这一个雷达来说,它确实是隐形了。 


聪明的读者可能也看出来了,如果在四面八方、天上地下都放上这样的雷达,成为雷达网络,并且他们之间协同工作,那么现在是没有一个技术能够让一架飞机真正在天空中消失的。


正是带着这样一个想法或者问题,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,就像画面中看到的一样,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。


但是无论怎样,电磁波都会完美地穿透它继续前行,不发生任何的改变。


更难能可贵的一点,在实验上它也非常容易实现,因为它所需要的材料就两种:铜和常见的塑料。


当然其细节的结构和连接方式都是非常仔细设计过的。


这样的复合材料,它效果之一是电磁波在这个材料里传播的速度和在空气中完全一样,所以对于电磁波来说,这两种材料其实是一种材料。


因此它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。


隐身在生活中的应用


这样的隐身材料,不但在军事上会有很大的潜在应用前景,也跟每个人的生活都息息相关。


例如你在路由器附近上网的速度非常快,但到其他房间、其他角落,你就发现信号很弱,上不了网。或者说当你一边打手机一边走进电梯时,信号很可能会断。


这些都是因为同一个问题——建筑的墙体或电梯的金属材料,它并不是上述的隐身材料,因此都会强烈的散射、或者阻拦电磁波的传播。


可以想象,如果用这样的复合材料做成建筑或者电梯,那么我们的生存空间里面就不需要这么多的路由器,也不需要这么多的信号发射塔,因此能拥有更有效、更节能的通讯。


希望这一系列的介绍,大家能跟我一样有信心——隐身在未来将不再是一种超能力。


本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:陆凌

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