隐形(3)
爱因斯坦在评论麦克斯韦方程式的重要性时写道,这是“自牛顿时代以来物理学家经历的最深远、最富成果的事件”。
(悲惨的是,麦克斯韦,19世纪最伟大的物理学之一,在48岁英年早逝,死于肺癌——这很有可能也是在同样的年龄夺取他母亲生命的疾病。如果他能活得更久,他或许能发现他的方程式在允许时间和空间变形的情况下会直接得出爱因斯坦的相对论。想到麦克斯韦要是能活得长久一些,相对论在美国内战期间就可能被发现,真是让人惊讶。)
麦克斯韦的光学理论和原子理论为光学和隐形作出了简单的解释。在固体中,原子是排列紧密的,而在液体或气体中分子的分布较为松弛。大多数固体都是不透光的,因为光线无法穿透固体中高密度的原子矩阵,其作用就像一面砖墙。相反,许多液体和气体是透明的,因为光线可以毫无阻碍地穿过它们原子之间的大空隙,那是比可见光的波长更大的空隙,例如,水、酒精、氨水、丙酮、过氧化氢、汽油等等都是透明的,就像氧气、氢气、氮气、二氧化碳、甲烷等气体一样。
这条规则有一些非常重要的例外情况。许多水晶都既是固体又是透明的。但是水晶的原子是以一种精确的网格结构排列的,堆积成有规则的行列,中间有着规则的空隙。因此便有了许多途径可以让光线能穿过水晶网格。所以,虽然水晶和任何固体一样结构排列紧密,光仍然能有效穿过水晶。
在特定的情况下,如果原子被随机排列,一个固体就可能变得透明。这可以通过将特定材料加热至高温后再迅速冷却它们来实现。比如,玻璃是一种由于其原子被随机排列而具有许多液体性质的固体。某些糖果也是通过这个方法变得透明的。
显而易见,隐形是一种在原子水平通过麦克斯韦方程发生的属性变化,因此使用普通的办法来重现会极端困难——如果并非不可能实现的话。想要让哈利·波特隐身,我们必须先将他液化,把他煮沸以产生蒸汽,让他结晶,再次加热他,然后把他冷却——哪怕对一个巫师而言,这一切都相当难以实现。
军方无法制造出隐形飞机,因此已经尝试着退而求其次:开发隐形技术隐形技术(stealth technology):又称隐身技术,准确的术语应该是“低可探测技术”,通过多种途径,设法尽可能减弱自身的特征信号,降低对外来电磁波、光波和红外线反射,达到与它所处的背景难以区分的目的,是一种研究如何减小目标的可探测性,使目标不易被探测器发现的技术。——译者注,使飞机在雷达上隐形。隐形技术依靠麦克斯韦的方程式创造了一系列戏法。一架隐形战斗机在肉眼中完全可见,但它在敌军雷达上的雷达图像仅有一只大鸟般大小(隐形技术实际就是一堆障眼法的大杂烩。通过改变战斗机内部材料——减少金属含量而用塑料和树脂替代、改变机身的曲度、重新调整它的排气管等等,我们可以让敌军命中机身的雷达信号向四面八方散开,这样它们就永远不可能返回到敌军的雷达屏幕上。就算有了隐形技术,一架战斗机也不可能完全隐形,它只能在技术允许的范围内尽量折射或驱散雷达)。超材料与隐形
不过,隐形技术中最大有可为的新进展或许是一种叫做“超材料”的奇异材料,有朝一日它也许真的能让物体隐形。具有讽刺意味的是,超材料曾被认为是不可能存在的,因为它违反了光学定律。然而,2006年,北卡罗来纳州的杜克大学(Duke University)和伦敦帝国理工学院(Imperial College)的研究者成功挑战传统概念,使用超材料让一个物体在微波射线下隐形。尽管仍有许多难关需要克服,但我们有史以来头一次拥有了能使普通物体隐形的方案(五角大楼的国防高级研究计划署[The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency,DARPA]资助了这一研究)。