出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛导语：从秦汉方士的隐身术，到哈利波特的隐身衣，再到军事上的隐形飞机，哪些是幻想魔术？哪些是科学前沿？人类是否能拥有变身透明人的超能力？超能力又该如何实现？在SELF讲坛的舞台上，来自中科院物理所的研究员陆凌展示了现代隐身术的奇妙之处。---嘉宾介绍---陆凌中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室研究员以下内容为陆凌演讲实录：大家下午好，我想先问大家一下，大家想不想隐身呀？我想很多回答想的朋友，一定是科幻电影看得比较多，想象自己得到一种超能力。那么今天我想给大家介绍：隐身其实是一门技术活。让我们先从历史开始讲起，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，他们追求长生术的同时也研究过隐身。那现在看来，当时的那些方法和方式都是接近可笑的。有一个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：如果你找到了螳螂在捕蝉时候用来伪装自己的那片叶子，你攥在手心里，放在眼前，周围的人就看不到你了。古代确实有一个书生这么做了，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。但话又说回来，中国古代非常多的哲学思想确实是隐身的思路，第一个就是天人合一：天人合一说的是人和自然、环境的一个完美融合，如果你做到这一点你就可以隐身。大家看一下后面的这张图片，是在长城上拍摄到的，如果你仔细看。在画面的中央，有一个行为艺术家，他把自己做上人体彩绘，巧妙地和周围的城墙、山景融合到了一起，所以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，那是在三四年前，四川有一个派出所，他们接到了一个电话，说家里的两个小孙子不见了，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面发现了他们两个，他们玩得正欢呢。大家可以看到这是其中的一位，因为他身上裹着很多泥浆，还有泥土，和周围的山景完全融为一体了，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。那这两种方式就是不太干净，因为你最起码回家都得洗个澡，那么有没有不用洗澡的隐身术呢？这位先生做的这件事情就很聪明，他拿着自己的平板电脑走到了山上，巧妙地将背后摄像机拍到的画面展示在了前面的屏幕当中，然后从这个角度看过去，似乎你就看不到他的脸了，而后面的天空的景象依然非常完整。那毕竟这个小的显示屏它的面积是有限的，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是小隐，那么怎么才能大隐呢？中国古人云：小隐隐于山，大隐隐于市，确实是这样。现在韩国正在建造一幢摩天大厦，他们称之为隐身大厦，它隐身的原理也跟之前提到的是一样的，将非常多的电子显示屏铺满整个大厦的外墙，所以如果你360度将背后的景象显示在它的墙体上的时候，你就看到右边这张图所显示的这样一个隐身的效果——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。下面这段视频是在海底拍摄到的，现在在画面的正中央是一个珊瑚，然后有一条小鱼游了过来，似乎什么都没有发生，但如果你靠得更近的时候，哇！你看到原来是有一只白色的章鱼，它受到了摄影机的惊吓之后吐出了一口墨汁然后游走了，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？这是一个慢动作倒播的一个画面，可以看到这个软体的章鱼可以在三维立体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，以至于说你知道它就在那里，但是你依然无法分辨它和它生存的环境，那么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当中。这一张章鱼表皮的图像，你看到的是非常多成千上万的小的色素块，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，它的奥秘是因为它是软体组织，所以它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呢？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，但同样的是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，而之前和之后的面积差别可以超过一百倍。那现在我们非常清楚了这个章鱼隐身的本领，那么下面就让我们玩一个找章鱼的小游戏。大家看一下这是另外一段视频，这个时候依然是在水下，但是更加的高清、更加的彩色。大家能不能看到一条章鱼？其实作为这只章鱼，我觉得它一定也很郁闷，我已经做得如此之完美了，居然大家还能够找到我，所以有了章鱼这样的一个演示之后呢，我们不难想象在不久的未来，我们会有像电子皮肤、电子衣服这样的隐身科技或者产品出现。现在我们穿的衣服，可能很多是猪皮、牛皮，以后大家拎着一张章鱼皮就可以出门了。其实不止是章鱼，所有的这些头足动物门、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，只是你无法分辨它和它所在的环境。那么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，那确实你看到，水从它的源头慢慢地流到你的跟前，一路上其实经过了千难万险，因为有岩石、有峭壁，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。那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，现在在画面的正中央，大家看到的是一个大男孩靠着墙站着，但是其实就在他的跟前站着一个他的弟弟，但大家刚才就看不到他，那现在把两个人的位置互换一下，现在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？其实原因也不难理解，因为正在这个小男孩的面前放置着两面镜子，但大家没有注意到的是边上还有另外两面镜子来辅助这样的一个隐身实验。它的原理图就展示在左边，在熊猫这个位置是隐身的，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，红色就是光行进的路线，可以看到当观察者在屏幕的下方的时候，你看到光是经过了四次的反射绕过了这个熊猫所在的区域，但是你却依然能够看到背后的景象，这就是刚才这个实验的基本原理。其实在座的每一位你们回家都可以做这个实验，你只要取四面镜子，放置成这样的位置就可以拿来做这样的隐身的实验，因为只要躲在这个小熊猫在的地方，大家可以看到光线就可以绕开你。那么如果我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，那就可以看到在小熊猫的这块空间已经完全被孤立起来了，这块空间你是完全看不到的。但是这要求的是观察者在你的左手方或者右手方，就是对两个方向你达到了隐身的效果，那如何才能在更多的方向达到隐身呢？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他的一个构思，这个思路就是有六块玻璃，你把它组成一个六角形的柱状结构，从光线行进的演示可以看到，在中间的这块区域就是隐身的。这块隐身的结构它能给我们带来什么样的视觉震撼呢？这是在鱼缸的侧面拍摄的一个画面，那鱼缸里肯定是有鱼的，那鱼在哪里呢？现在小鱼露出了半个脑袋，但它的身体依然看不见，但你却能看到后面的水草清晰可见，现在小鱼开始卖关子了，它不愿意出来，所以把它赶出来，现在它出来了，是不是很神奇？它是活生生的一条鱼，而且它的身体表面的颜色是非常之鲜艳，但是在这样一个白色的布景、充分光照的情况下你却看不到它。这是刚才这个实验的一个原理图，就是把这个六角形的隐身装置放在了鱼缸的中间，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。那么刚才我演示的这些实验都是在可见光的波段，也就是人眼能够看到的这个波长范围，比如说你们现在能看到我，这是因为有灯打着我反射到你们的眼睛里面，你们才能看到我，如果现在让工作人员把所有的灯光全部关掉，大家就看不见我了。但是如何才能观察呢？其实刚才梁老师的这个报告里面就讲到了这样一件事情，那就是夜视的基本原理。如果你用红外照相机来拍摄黑暗中的人的话，依然可以看到它的图像，因为人是发热的，就像我一样有体温，我不断在发出红外波段的电磁波，就能用红外相机捕捉到。那么这样的一个结构对红外的成像能看到什么样的图像呢？这是两张红外相机拍摄到的图片，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，那下面这张它有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，那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呢？他缺点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，那么更加完美的隐身需要做到的是各向同性的这样一个效果，也就是这样一个柱状体、圆形的一个结构，这样才能达到在中间这块区域是和外面完全在光学上隔绝，对于任何角度的观察者都不能发现它。那么这样的一个完美隐身的要求，其实对科学家们的挑战是非常非常大的。所以在原理上，我们就必须摒弃刚才所说的，光用直线来描述这样一个几何光学的概念，因为这只是一种近似，我们现在需要充分考虑光的波动性，因为从微观的角度来说，光线你仔细看，它在微观都是电磁波，也就是电场在时间和空间上的一个周期的运动，在考虑了所有这些因素之后，经过了很多的努力，右边是学生做的一个理论的仿真动画，这里的红色和蓝色的条纹，表示的就是这些电磁波的波峰和波谷，所以你看到的其实是一束波从左边传来，从右边出去，但对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的效果。说到完美，我想问一下在座的各位，大家有没有像我一样，是一直在追求完美的人，还是有很多人都举手了。在追求完美的过程中，大家可能会有体会——完美需要付出代价的。对于这样的一个例子来说，它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？这里我提三点：第一是它只对一个固定波长能达到隐身的效果。可以看到，如果我们将这个红蓝之间的间隔，这个波长变大或者变小的话，很容易想象，它就无法从左到右这么完美地透射了，也无法把周边都匹配得这么好；那么第二点是这一类绕行的隐身术它的一个通病，也就是说隐身是相对的，在里面如果有一个人的话，他不能被外面的观察者看到，但是在里面，我一样什么都看不见，我也侦查不到外面的图像；第三点涉及到实际的应用，比如说我们在军事上希望让一架飞机隐身，就像图上看到的这样，那我们就把这架飞机放在这个隐身结构的正中央，但是大家看一下会带来什么样问题呢？从几何的比例上就会发现，你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。这个实际上是非常困难，或者说几乎是不可能的，那么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？下面我们就来介绍一下现在所谓的隐形飞机的隐形基本原理，首先他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，那么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往原路反射的，然后会被刚才的这个雷达探测到，我们就知道在多高的高空、多快的速度有一架飞机正在飞行。那如果现在敌方来了一架侦察机，它是一架隐形的飞机，隐形飞机的外表形状和涂层都是经过严密的设计，它的反射波绝对不会沿着原路返回，它会被吸收掉一部分，然后其他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。但是聪明的观众可能也能看出来，如果我在四面八方、天上地下、山上都放上这样的雷达，成为一个雷达网络，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，正是带着这样的一个想法或者问题，我和我在浙江大学的合作者叶德信教授去年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，由隐身材料组成的这个结构，可以是任意大小和形状，所以在这里，我们把它画成了一架飞机的形状，为了配合刚才的这个题目，它一样可以是坦克或者人、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，一种是铜，一种是常见的塑料，当然这里的细节的结构和连接方式都是非常仔细设计过的，这样的一个复合材料，它达到的一个效果是电磁波在这个材料里传播的速度和在空气中是完全一样的，所以对于电磁波来说这两种材料其实是一种材料，所以，也就是为什么我可以把它做成任意的形状或者大小，它都不会对电磁波产生任何的干扰。这也就和刚才所谓的光线绕行的思路完全不一样了，这里是完全敞开的一个设计，那这样的一个隐身材料，显然在军事上会有很大的潜在应用前景。其实跟在座每一位的生活也都息息相关，我想大家有没有这样的体验，总是抱怨这里网络的信号不好、手机的信号不好，或者说大家在家里装了一个新的无线路由器，你在路由器附近上网的速度非常快，那你到其他房间、其他角落，你就发现信号很弱上不了网，或者说当你一边打着手机一边走进电梯的时候，我想大家都有这样的心理准备，就是这个信号会断，那这些都是因为同一个问题，就是我们现在用的建筑的墙体，或者说铸造这个电梯的这个金属材料，它都不是这样的隐身材料，它都会强烈的散射、或者阻拦电磁波的传播，所以可以想象，如果我们用这样的一个复合材料做成我们的建筑或者电梯的材料，那么在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，就能更有效更节能的通讯了。那到最后希望经过这一系列的介绍，我希望大家跟我一样有信心，也就是说隐身在未来将不再是一种超能力。谢谢大家。“SELF格致论道”是中国科学院全力推出、中国科普博览承办的科学讲坛，致力于精英思想的跨界传播，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办。登陆“SELF格致论道”官方网站、关注微信公众号“SELF格致论道讲坛”、微博“SELF格致论道”获取更多信息。更多合作与SELF工作组[email 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“What did the council decide on item 42?” — answered with the speaker and the moment.

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