第一章 一等不可思議 2.隱形

當你的想像力模糊不清時,你不能信賴你的雙眼。

——馬克·吐溫(Mark Twaiin)

在《星艦迷航Ⅳ:搶救未來》(Star Trek IV: The Voyage Home)中,一艘克林貢(Klingon)戰鬥巡洋艦被「企業號」的船員們劫持了。與聯邦星際艦隊的宇宙飛船不同,克林貢帝國的宇宙飛船有一種秘密「隱蔽裝置」,能使它們在光線下和雷達中隱形,這樣克林貢的飛船就能悄悄從背後接近聯邦的飛船,然後突然襲擊而自身毫無損傷。這一隱蔽裝置給了克林貢帝國超越星際聯邦的戰略優勢。

這樣的一種裝置真的可行嗎?從《隱行人》的字裡行間到《哈利·波特》系列中神奇的隱身衣,或是《指環王》中的指環,隱形一直都是科幻小說和幻想中的奇妙事物之一。可是,在至少一個世紀的時間裡,物理學家對於隱身衣存在的可能性不屑一顧,斷言它們是不可能存在的:它們違反了光學定律,並且不符合任何已知物質的屬性。

但如今不可能或許能成為可能。一種在「超材料」(metamaterial)上取得的進步正在有力推動一場光學課本的大規模修訂。這一材料的應用雛形其實已經在實驗室中建立了,工業領域和軍事領域在被媒體激起巨大興趣後,正在將可見物變得隱形。

隱形或許是古代神話中最古老的概念之一。自有史以來,獨自度過令人不寒而慄的夜晚的人們便會被看不見的死者靈魂、早已離世之人潛伏在黑暗中的魂魄所驚嚇。希臘英雄珀爾修斯(Perseus)在武裝了可使人隱形的頭盔後得以殺死邪惡的美杜莎(Medusa);軍隊將領們一直夢想擁有隱形裝備,因為隱形後可以輕易地突破敵人防線,並且出其不意地贏得勝利;罪犯們可以利用隱形來實現巧妙的偷盜。

隱形在柏拉圖(Plato)的倫理道德理論中起著中心作用。在他的哲學傑作《理想國》(The Republic)中,柏拉圖詳細講述了裘格斯戒指(ring of Gyges)的神話。呂底亞(Lydia)貧窮但誠實的牧羊人走進了一個隱蔽的山洞,發現一座墳墓里有一具佩戴著一枚黃金戒指的屍體。裘格斯發覺這枚戒指具有讓他隱身的魔力。很快,窮苦的牧羊人就被這枚戒指賦予他的力量所控制。在偷偷潛入國王的宮殿後,裘格斯使用他的魔力誘惑了皇后,並在她的幫助下殺死了國王,成為呂底亞的下一任國王。

柏拉圖想要述說的寓意是:沒有人能夠抗拒可以自由偷盜和殺戮的誘惑。每一個人都是可以被腐蝕的。道德是從外界強加於人的社會構建。一個人或許可以在公眾面前表現得道德以維護他正直誠實的名譽,可一旦他具有了隱身的能力,運用這種能力便勢在必行(有些人相信這個倫理故事是J. R. R·托爾金《指環王》三部曲的靈感來源,在這部作品中,一枚能給予佩帶者隱身能力的指環同時也是邪惡之源)。

隱形也是科幻小說中常見的劇情鋪墊。在20世紀30年代的《飛俠哥頓》系列中,飛俠隱身以擺脫酷明(Ming the Merciless)的行刑隊;在《哈利·波特》系列小說和電影中,哈利披上一件特殊的袍子好讓他在霍格沃茨城堡中漫步而不被發現。

H. G. 威爾斯以他的經典小說《隱行人》將這一神話事物在很大程度上現實化了。在小說中,一位醫科學生偶然發現了四維的力量,並且隱身了。不幸的是,他將這一玄妙的能力用於私人攫取,開始了一系列犯罪活動,並且最終在試圖逃避警察的時候絕望地死去。

直到蘇格蘭物理學家詹姆士·克拉克·麥克斯韋——19世紀物理學界的巨人之一的研究成果問世,物理學家們才對光學定律有了確定的了解。從某些意義上來說,麥克斯韋正是邁克爾·法拉第的對立面。法拉第在試驗中有著驚人的直覺卻完全沒有受過正式訓練,而與法拉第同時代的麥克斯韋則是高等數學的大師。他在劍橋大學上學時擅長數學物理,在那裡艾薩克·牛頓於兩個世紀之前完成了自己的工作。

牛頓發明了微積分。微積分以「微分方程」的語言來表述,描述事物在時間和空間中如何順利地經歷細微的變化。海洋波浪、液體、氣體和炮彈的運動都可以用微分方程的語言進行描述。麥克斯韋抱著清晰的目標開始了工作——用精確的微分方程表達法拉第革命性的研究結果和他的力場。

麥克斯韋從法拉第電場可以轉變為磁場且反之亦然這一發現著手。他採用了法拉第對於力場的描述,並且用微分方程的精確語言重寫,得出了現代科學中最重要的方程組之一。它們是一組8個看起來十分艱深的方程式。世界上的每一位物理學家和工程師在研究生階段學習掌握電磁學時都必須努力消化這些方程式。

隨後,麥克斯韋向自己提出了具有決定性意義的問題:如果磁場可以轉變為電場,並且反之亦然,那若它們被永遠不斷地相互轉變會發生什麼情況?麥克斯韋發現這些電—磁場會製造出一種波,與海洋波十分類似。令他吃驚的是,他計算了這些波的速度,發現那正是光的速度!在1864年發現這一事實後,他預言性地寫道:「這一速度與光速如此接近,看來我們有充分的理由相信光本身是一種電磁干擾。」

這可能是人類歷史上最偉大的發現之一。有史以來第一次,光的奧秘終於被揭開了。麥克斯韋突然意識到,從日出的光輝、落日的紅焰、彩虹的絢麗色彩到天空中閃爍的星光,都可以用他匆匆寫在一頁紙上的波來描述。今天我們意識到整個電磁波譜——從電視天線、紅外線、可見光、紫外線、X射線、微波和γ射線都只不過是麥克斯韋波,即振動的法拉第力場。

愛因斯坦在評論麥克斯韋方程式的重要性時寫道,這是「自牛頓時代以來物理學家經歷的最深遠、最富成果的事件」。

(悲慘的是,麥克斯韋,19世紀最偉大的物理學之一,在48歲英年早逝,死於肺癌——這很有可能也是在同樣的年齡奪取他母親生命的疾病。如果他能活得更久,他或許能發現他的方程式在允許時間和空間變形的情況下會直接得出愛因斯坦的相對論。想到麥克斯韋要是能活得長久一些,相對論在美國內戰期間就可能被發現,真是讓人驚訝。)

麥克斯韋的光學理論和原子理論為光學和隱形作出了簡單的解釋。在固體中,原子是排列緊密的,而在液體或氣體中分子的分布較為鬆弛。大多數固體都是不透光的,因為光線無法穿透固體中高密度的原子矩陣,其作用就像一面磚牆。相反,許多液體和氣體是透明的,因為光線可以毫無阻礙地穿過它們原子之間的大空隙,那是比可見光的波長更大的空隙,例如,水、酒精、氨水、丙酮、過氧化氫、汽油等等都是透明的,就像氧氣、氫氣、氮氣、二氧化碳、甲烷等氣體一樣。

這條規則有一些非常重要的例外情況。許多水晶都既是固體又是透明的。但是水晶的原子是以一種精確的網格結構排列的,堆積成有規則的行列,中間有著規則的空隙。因此便有了許多途徑可以讓光線能穿過水晶網格。所以,雖然水晶和任何固體一樣結構排列緊密,光仍然能有效穿過水晶。

在特定的情況下,如果原子被隨機排列,一個固體就可能變得透明。這可以通過將特定材料加熱至高溫後再迅速冷卻它們來實現。比如,玻璃是一種由於其原子被隨機排列而具有許多液體性質的固體。某些糖果也是通過這個方法變得透明的。

顯而易見,隱形是一種在原子水平通過麥克斯韋方程發生的屬性變化,因此使用普通的辦法來重現會極端困難——如果並非不可能實現的話。想要讓哈利·波特隱身,我們必須先將他液化,把他煮沸以產生蒸汽,讓他結晶,再次加熱他,然後把他冷卻——哪怕對一個巫師而言,這一切都相當難以實現。

軍方無法製造出隱形飛機,因此已經嘗試著退而求其次:開發隱形技術 ,使飛機在雷達上隱形。隱形技術依靠麥克斯韋的方程式創造了一系列戲法。一架隱形戰鬥機在肉眼中完全可見,但它在敵軍雷達上的雷達圖像僅有一隻大鳥般大小(隱形技術實際就是一堆障眼法的大雜燴。通過改變戰鬥機內部材料——減少金屬含量而用塑料和樹脂替代、改變機身的曲度、重新調整它的排氣管等等,我們可以讓敵軍命中機身的雷達信號向四面八方散開,這樣它們就永遠不可能返回到敵軍的雷達屏幕上。就算有了隱形技術,一架戰鬥機也不可能完全隱形,它只能在技術允許的範圍內盡量折射或驅散雷達)。

不過,隱形技術中最大有可為的新進展或許是一種叫做「超材料」的奇異材料,有朝一日它也許真的能讓物體隱形。具有諷刺意味的是,超材料曾被認為是不可能存在的,因為它違反了光學定律。然而,2006年,北卡羅來納州的杜克大學(Duke Uy)和倫敦帝國理工學院(Imperial College)的研究者成功挑戰傳統概念,使用超材料讓一個物體在微波射線

上一章目錄+書簽下一頁