没有哈利·波特的隐身衣，我们能实现隐形吗？
不管在什么年代，隐形一直都是科幻小说和幻想中的奇妙事物之一。在《哈利·波特》系列小说和电影中，哈利只要披上一件特殊的袍子，就能在霍格沃茨城堡中漫步而不被发现。
可是，在至少一个世纪的时间里，物理学家对于隐身衣存在的可能性不屑一顾，断言它们是不可能存在的：它们违反了光学定律，并且不符合任何已知的物质属性。
那么在今天，不可能能够成为可能吗？
l 麦克斯韦的发现
直到苏格兰物理学家、19 世纪物理学界的巨人之一詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的研究成果问世，物理学家们才对光学定律有了确定的了解。
麦克斯韦是高等数学的大师，他尝试用精确的微分方程表达法拉第革命性的研究结果和他的力场。麦克斯韦从法拉第电场与磁场可以互相转变这一发现着手，根据法拉第对于力场的描述，用微分方程的精确语言对其进行重新描述，得出了现代科学中最重要的方程组之一。
随后，麦克斯韦向自己提出了具有决定性意义的问题：如果磁场和电场可以相互转变，那么，当它们永远不断地相互转变时，又会发生什么情况？麦克斯韦发现这些电－磁场会制造出一种波，与海洋波十分类似。令他吃惊的是，他计算了这些波的速度，发现那是光的速度！
这可能是人类历史上最伟大的发现之一，光的奥秘终于被揭开了。麦克斯韦突然意识到，旭日的光辉、落日的红焰、彩虹的绚丽色彩和星星的光芒，都可以用他匆匆写在一页纸上的波来描述。今天我们认识到，整个电磁波谱，包括红外线、可见光、紫外线、X 射线、微波和γ 射线，都只不过是麦克斯韦波，即振动的法拉第力场。
爱因斯坦在评论麦克斯韦方程式的重要性时写道，它们是“自牛顿的时代以来物理学经历的最深远、最富成果的事件”。
l 光的奥秘
麦克斯韦的光学理论和原子理论为光学和隐身做出了简单的解释。在固体中，原子是紧密排列的，而在液体或气体中，分子的分布较为松散。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。
这条规则有一些非常重要的特殊情况。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让光线穿过水晶网格。所以，即使水晶和其他固体一样结构紧密，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使其冷却来实现。比如，玻璃是一种由于其原子随机排列而具有许多液体性质的固体。某些糖果也可以通过这个方法变成透明的。
l 来到现实世界，哈利·波特还能隐身吗？
显而易见，隐形是一种在原子水平上凭借麦克斯韦方程产生的特性，要想让哈利·波特
隐身，我们必须将他液化、把他煮沸以产生蒸汽、让他结晶、再次加热他，然后把他冷却，哪怕对于一个巫师而言，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，开发隐身技术，使飞机在雷达上隐形。隐身技术依靠麦克斯韦的方程式创造了一系列戏法。一架隐身战斗机在肉眼中完全可见，但它在敌军的雷达图像上仅有一只大鸟般大小。
隐身技术实际上就是一堆障眼法的大杂烩。通过改变战斗机内部材料，减少它的金属含量，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方法，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。就算有了隐身技术，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信号。
l 超材料与隐形
隐形技术中最有前途的新进展或许是一种叫作“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，因为它们违反了光学定律。
然而，2006 年，杜克大学（位于北卡罗来纳州达勒姆）和帝国理工学院（位于伦敦）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，但我们有史以来第一次拥有了能使普通物体隐形的方案。
超材料是什么？
它们是具备自然界中不存在的光学性质的物质。超材料是通过将微小的组件植入一种材料而产生的，这种材料能强迫电磁波向非正常的角度弯曲。在杜克大学，科学家们将微型电路植入排列成位于同一平面内的同心圆的铜圈（有点儿像电炉的线圈）中。结果是产生了由陶瓷、聚四氟乙烯、混合纤维和金属组成的混合物，铜圈中的微型植入体使其可以用特定的方式使微波辐射路径弯曲和引导微波辐射。想象一下围绕一块巨石流动的河水。由于河水迅速包围巨石，巨石会被冲向下游。同样，超材料可以不断改变微波辐射路径或使微波辐射路径弯曲，这样它们就绕着一个物体（如圆柱体）流动，基本上使圆柱体内的一切物质在微波内不可见。如果超材料能消除一切反射和阴影，它就能确保一个物体在该种射线下完全隐形。
超材料的核心是它们能够控制一种叫作“折射率”的事物。折射是指当光线穿过透明媒介时产生偏折。如果你把手伸入水中，或者透过眼镜的镜片看自己的手，你就会注意到水和玻璃使正常的光的路径发生了扭曲和弯折。
光在玻璃和水中会弯折的原因在于光在进入一个密集、透明的媒介时会放慢速度。光在真空中的速度永远保持一致，但穿透玻璃或者水的光必须穿过上万亿个原子，因此速度就变慢了。光在真空中的速度除以光在该介质中的速度，所得的数值为折射率。真空的折射率是1.0，光在玻璃中减速，因此玻璃的折射率永远大于1.0。空气是1.000 3，玻璃是1.5，钻石是2.4。
折射率常见的实例之一就是海市蜃楼。当你在炎热的日子里开车并直视地平线时，道路看起来可能像是有微光闪烁，形成波光粼粼的湖面的幻象。在沙漠中，人们有时能看到远处的地平线上有城市和高山的轮廓，这是因为从沙漠或道路上升起的炙热空气的密度低于正常空气，因而折射率比周围较冷的空气低，这样，来自远方物体上的光线就会从道路上折射到眼中，造成正在看着远方事物的假象。
假设你可以任意控制折射率，它就能在玻璃中的每一点不断改变方向。当光线在这个新
的材料中移动时，如果光能被弯曲并向不同的新方向流动，就能创造出能够穿过整个物质的蛇形路径。
如果能控制超材料内部的折射率，光就能从物体的周围通过，这样，这个物体就能隐形。为了实现这一点，这种超材料必须具备负折射率，这是所有光学课本中都写着的不可能的事物。
超材料的研究者们不断受到记者骚扰，他们希望知道隐身衣什么时候会被投放到市场中。回答是：近期不会。杜克大学的戴维·史密斯说：“记者们打电话过来，他们只需要你说出一个数字：所需的月数或所需的年数。他们不停地追问、追问，再追问，如果你最后说：‘嗯，大概15 年。’那么他们便弄到了新闻的标题，不是吗？‘15 年做出哈利·波特的隐身衣’。”这就
是他现在拒绝给出任何详细的时间表的原因。
《哈利·波特》迷或许不得不等待。
l 超材料的未来
未来，超材料的发展速度可能会进一步加快，对于隐形的研究也能搭上进行中的以制造出硅芯片替代品为目的的光子晶体和等离子体光子的顺风车。已有上亿美元被投资于创造硅芯片替代品的技术，超材料的研究会从这些研究尝试中获益。
科学家们有信心在未来几年内创造出至少可以使物体在二维中完全在一种可见光频率下隐形的超材料。要想做到这一点，就需要把微型的纳米植入体以复杂的形式排列，而不是排在规则的行与列中，这样光束就可以平滑地绕着一个物体弯曲。
下一步，科学家们必须制造出能在三维中而不仅仅在平面的二维表面弯折光线的超材料。光刻对于制造平面硅晶片来说是完美的技术，但是制造三维超材料需要将晶片垒成复杂的形式。
此后，科学家们还必须解决一个难题——制造出能弯曲不止一种频率，而是许多种频率的超材料。
然而，隐形盾牌一旦被制成，就可能是一个笨重的装置。哈利·波特的隐身衣是用轻薄、柔韧的布料制成的，并且能让任何披着它的人隐身。但是为了实现这一点，隐身衣内部的折射率必须随着它的飘动不停改变，而这是不实际的。真正的隐身“衣”更有可能是由用超材料组成的固体圆柱体构成的，至少最初会是这样。
有人指出了隐形盾牌的一个缺陷：任何处于其内部的人都无法在不现身的情况下看到外面。想象一下，如果哈利·波特除眼睛以外全身都隐形，那么眼睛看上去就像漂浮在半空中一样。任何隐身衣上为眼睛挖出的洞都可以从外面被清楚地看见。如果哈利·波特完全隐身，他就会两眼一抹黑地坐在他的隐身衣下。
尽管困难重重，科学家和工程师们仍然乐观地认为，在未来，人们能够制造出某种形式的隐身盾牌。
本文整合自《不可思议的物理》
作者：加来道雄
译者：夏璐
出版社：中信出版集团
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