承認吧，其實你很想擁有一件隱形斗篷。如果你在派對上說了什么令人社死的話，你只要穿上這件神奇衣服，就能從派對同伴們嘲諷的目光中消失。如果還想聽聽老板對你的真實評價？直接走進他或她的辦公室，就能得到答案。

在科幻小說和奇幻世界中，這種奇妙的時尚配飾已經成為了標準配置。從哈利-波特（Harry Potter）和他的好兄弟羅恩-韋斯萊（Ron Weasley）到星際旅行獵人，他們每個人的衣櫥里都至少有一件隱形上衣，但我們這些現實世界中的普通人呢？

麻瓜們，科學界帶來了好消息：隱形的斗篷已經可以實現了。雖然這項技術還遠遠不夠完美，并不會像真正的隱形斗篷那樣提供真正的隱形效果，但我們會教你怎樣選擇隱形斗篷。

海市蜃樓效應

在圖中，我們可以看到多壁碳納米管（MWCT）從非活性變為活性狀態之后，這些多壁碳納米管從人們的視線中消失了。

首先，讓我們試試這件碳納米管隱形斗篷合不合身，順便體驗一下海市蜃樓效應的奇妙之處。

海市蜃樓效應: 碳納米管

你可能對海市蜃樓最熟悉不過了，傳說沙漠中的流浪者瞥見遙遠的綠洲，卻發現那只是海市蜃樓--沒有神奇的湖水可以飲用，只有很多滾燙的沙子。

熱沙是造成海市蜃樓效應（或光熱偏轉）的關鍵原因，因為沙子和空氣之間的較高溫差會使光線彎曲，也就是折射。折射使光線向上射入觀看者的眼睛，而不是從表面反彈回來。

在沙漠海市蜃樓的經典例子中，這種效果是在地面上出現 "半畝方塘"，而你可以看見里面“天光云影共徘徊”，你有邏輯的（和口渴的）大腦會將其識別為一灘水。您可能在炎熱的路面上見過類似的效果，遠處的路面似乎閃爍著積水的光芒。

實驗與潛在機遇

2011 年，得克薩斯大學達拉斯分校納米技術研究所的研究人員成功地利用這種效應。他們使用碳納米管薄片，包裹成圓柱管狀的碳薄片。每一片的厚度僅相當于一個分子直徑大小，但強度卻不亞于鋼鐵，因為每個碳納米管中的碳原子都結合得非常緊密。這些薄片還是很好的熱導體，是理想的海市蜃樓制造材料。

在實驗中，研究人員通過電加熱碳納米管薄片，它將熱量傳遞到周圍區域（盛水的培養皿）。這使得光線傳播方向在碳納米管片處彎折，從而有效地使碳納米管片后面的任何東西隱形。

顯然，你應該不希望在很多地方穿上它：一件必須浸泡在水中的超熱微型熱迷彩外套，但這項實驗證明了這種材料的潛力。相信經過一段時間，這項研究不僅可以實現隱形斗篷效果，還可以實現其他光彎曲裝置--所有這些裝置都有一個便利的開關。

超材料的概念

接下來，讓我們穿上超材料制成的隱形斗篷。

利用超材料來彎曲光波

超材料提供了一種更引人注目的隱形技術，無需多個投影儀和攝像頭。俄國物理學家維克多?韋謝拉戈 (Victor Veselago) 于 1967 年首先提出了超材料的概念，這些微小的人造結構比光的波長還小（它們必須如此才能使光波轉向），并表現出負電磁特性，從而影響物體與電磁場的相互作用。

折射率和波的相互作用

天然材料都具有正折射率，這決定了光如何與它們相互作用。折射率部分受化學成分影響，但物質的內部結構起著更重要的作用。如果我們改變材料的結構，我們就能改變材料對入射光的折射方式--甚至從正折射率轉換為負折射率。

請記住，圖像是通過光傳播給我們的。聲音通過聲波傳播給我們。如果能引導這些波繞過物體周圍，就能有效地將物體隱藏起來，使其不被看到或聲音不被聽到。

想象這有一條小溪。如果你把一個裝滿紅色染料的茶袋放入流水中，由于它改變了水的顏色、味道和氣味，下游的人就會發現它的存在。但是，如果能讓水流繞開茶包流動將如何呢？

超材料織物與能量波

2006 年，杜克大學的戴維-史密斯（David Smith）利用英國理論物理學家約翰-彭德里（John Pendry）早先提出的理論，制造出一種能夠扭曲微波流的超材料。史密斯研發的超材料織物是由包含電子微波扭曲器的同心環組成。啟動時，它們會將特定頻率的微波引導到材料中央區域。

顯然，人類看不到微波，但這項技術證明，波可以繞過物體。想象一下，一件斗篷可以使三年級學生扔出的唾沫沾濕的紙球偏離原來的方向，讓它繞過穿著這件斗篷的人，并讓它在人的另一側繼續飛行，就像它的軌跡可以毫無阻礙地直接穿過這位穿斗篷的人一樣。

史密斯研發的超材料證明了這一方法。隱形的秘訣在于使其適應不同的波。

最小的邊界

超材料是一種科學創造的產物，自然界中本不存在。科學家們采用了納米技術創造出改變電磁波方向的微小結構。

超材料：隱形坦克

這幅光學圖片顯示了馬里蘭大學研發的超材料發揮的作用，它能將光波從每個中心圓圈引導開。箭頭表示光波的方向。

2007 年，馬里蘭大學的伊戈爾-斯莫利亞尼諾夫（Igor Smolyaninov）帶領他的團隊在隱形之路上走得更遠。斯莫利亞尼諾夫結合普渡大學弗拉基米爾-沙萊夫（Vladimir Shaleav）早先提出的理論，研發了一種超材料，能夠將可見光在物體周圍彎曲。

普渡大學的斗篷僅有 10 微米寬，利用的是注入偏振青色光的同心金環。這些環能將射入的光波引導遠離隱藏的物體，從而有效地使其隱形。武漢大學的物理學家將這一原理應用到聲音領域的研究，提出了一種聲隱形斗篷，能夠將聲波繞物體周圍偏轉。

就目前而言，超材料隱形斗篷還存在一定的局限性。它們不僅體積小，而且僅限于二維環境--很難讓你消失在三維的環境中。

另外，這樣做出來的斗篷太重了，甚至一個成年巫師也不愿意拖它著走。因此，這項技術可能更適合用于隱藏固定建筑物或坦克等車輛。

光學偽裝：改變現實

光學偽裝技術不會讓你隱形于多眼的怪物，甚至不會讓你隱形在流浪貓和松鼠面前。

準備好穿上老式的光學偽裝服了嗎？

這項技術利用了增強現實（AR）技術--一種由伊萬-薩瑟蘭（Ivan Sutherland）和他在哈佛大學和猶他大學的學生于 20 世紀 60 年代首創的技術。

光學偽裝帶來的體驗與哈利-波特的隱形斗篷類似，但使用時需要稍加復雜的安排。首先，想要隱身的人（我們稱他為哈利）穿上一件類似連帽雨衣的衣服。這件衣服是由一種特殊材料制成的，之后會仔細研究。

接下來，一個觀察者（暫且稱他為斯內普教授）站在哈利面前的某個特定位置。在那個地方，斯內普沒有看到穿著連帽雨衣的哈利，像是透過斗篷看到后面，讓哈利看起來是隱形的。

上面的照片顯示了斯內普（Snape）會看到什么。如果斯內普走到一邊，從一個稍微不同的位置看哈利呢？他看到的恰是這個穿著銀色衣服的男巫。隨之而來的可能是怒目而視和拘留。哈利很幸運，他在小說中的斗篷可以為他提供全方位的保護。

增強現實與虛擬現實

增強現實系統將計算機生成的信息添加到用戶的感官中。例如，想象一下你走在城市的街道上。當你注視著沿途的景點時，補充信息就會出現在眼前，用來增強和豐富你的正常視角所看見的內容。也許是餐廳的當日特價、劇院的演出時間或車站的公交時刻表。

需要明白的是，增強現實技術與虛擬現實技術不同。虛擬現實旨在取代現實世界，而增強現實只是試圖用額外的、有用的內容來補充現實世界。可以把它想象成日常生活中的抬頭顯示器（HUD）。

光學偽裝的組成部分

大多數增強現實系統需要用戶使用一個特殊的觀察裝置，以此來觀察那些用合成圖形增強的真實世界場景。系統中還包括一臺功能強大的計算機。光學偽裝也需要這些東西，但它還需要其他幾個組件。以下是讓人隱形所需的一切：

高反光材料制成的衣服：數碼攝像機 一臺電腦 一臺投影儀 一種被稱為 "組合鏡" 的特殊半涂銀面鏡

光學偽裝：隱形斗篷組成

好了，有了攝像機、電腦、投影儀、組合器和神奇的反光雨衣。增強現實技術是如何將這份奇怪的購物清單變成隱形配方的呢？

逆反射材料

首先，仔細看看這件雨衣：它是由逆反射材料制成的。這種高科技織物上布滿了成千上萬顆小珠子。當光線照射到其中一顆小珠子上時，光線就會沿著來時的方向反彈回來。

要了解這種獨特的原理，可以看看光線是如何從其他類型的表面反射出來的。粗糙的表面會產生漫反射，因為入射光線會向許多不同的方向散射。完全光滑的表面，如鏡子，會產生所謂的鏡面反射--入射光線和反射光線與鏡面形成完全相同的角度。

光線反射和逆反射

在逆反射中，玻璃珠就像棱鏡一樣，通過折射使光線彎曲。這使得反射光線沿著與入射光線相同的路徑返回。結果就是：位于光源處的觀察者會接收到更多的反射光，從而看到更明亮的反射效果。

逆反射材料其實很常見。交通標志、路標和自行車反光板都利用了逆反射，使夜間行車的人更容易看到。大多數現代商業影院中的電影屏幕也利用了這種材料，因為它能在黑暗條件下產生高亮度。

在光學偽裝中，逆反射材料的使用至關重要，因為它可以從很遠的地方看到，也可以在室外的強光下看到--這是讓人產生隱形錯覺的兩個必要條件。

在其余的設置中，攝像機需要放置在拍攝對象的后面，以捕捉背景。計算機從攝像機捕捉圖像，計算適當的透視，并將捕捉到的圖像轉換為應該投影到逆反射材料上的畫面。

投影儀和組合器

然后，投影儀通過一個由光闌控制的開口，將修改后的圖像投射到服裝上。

這種光闌由不透明的薄板制成，轉動一個環可以改變中央開口的直徑。要使光學偽裝正常工作，這個開口必須是針孔大小。為什么是這樣大小的開口？這樣可以確保更大的景深，從而使屏幕（在本例中為斗篷）與投影儀保持任意距離。

最后，整個系統需要一面特殊的鏡子，既能將投影圖像反射到斗篷上，又能讓從斗篷上反彈出來的光線返回到使用者的眼睛里。這種特殊的鏡子被稱為分光鏡或組合鏡--一種半涂銀面鏡，既能反射光線（銀色的一半），又能透射光線（透明的一半）。

整合計算機生成的圖像

如果將組合鏡正確地放置在用戶眼前，用戶就能同時感知計算機增強的圖像和來自周圍世界的光線。

這一點至關重要，因為只有讓計算機生成的圖像和現實世界的場景完全融合，才能讓隱形幻覺看起來逼真。用戶必須通過鏡子上的窺視孔才能看到增強現實。

現在，把所有這些組件放在一起，看看隱形斗篷是如何讓人看起來是透明的。該圖顯示了所有各種裝置和設備的典型排列方式。

當一個人穿上用逆反射材料制成的斗篷后，事情的發展順序是這樣的：

數碼攝像機拍攝穿斗篷的人身后的場景。

計算機處理捕捉到的圖像，并進行必要的計算，調整靜態圖像或視頻，使其在投影時看起來逼真。

投影儀從計算機接收增強后的圖像，并通過針孔大小的開口將圖像投射到組合鏡上。

鍍銀的半面鏡子是完全反光的，它將投射的圖像反射到穿斗篷的人身上。

斗篷就像電影銀幕一樣，將光線直接反射回光源，這里的光源就是鏡子。

斗篷反射的光線穿過鏡子的透明部分，落在使用者的眼睛上。請記住，斗篷反射的光線來自于穿斗篷的人背后的實際存在的場景圖像。

穿斗篷的人看起來是隱形的，因為背景場景顯示在逆反射材料上。與此同時，周圍其他地方的光線也可以照射到用戶的眼睛上，從而讓人覺得在一個看起來正常的世界里存在著一個隱形人。

光學偽裝：真實世界的隱形應用

“隱形斗篷”這個詞往往會讓人聯想到夢幻般的冒險、神奇的間諜活動和超凡脫俗的欺騙。然而，光學偽裝的實際應用卻遠沒有那么夸張。你不要幻想隱藏你的羅武倫星飛船里閑逛，但這并不意味著這項技術沒有一些可行的用途。

航空和駕駛領域的應用

例如，飛行員在降落飛機時，可以利用這項技術讓駕駛艙地板變得透明。這樣，他們只需低頭看一眼地板（地板上會顯示機身外部的情況），就能看到跑道和起落架。

同樣，駕駛員也不必處理后視鏡和盲點的問題。相反，他們只需 "透視" 整個車尾即可。這項技術甚至有可能應用于醫療領域，因為外科醫生可以使用光學偽裝來“透視”他們的手和器械，可以很好的地觀察下面的組織。

相互同傳

有趣的是，這項技術的一個可能應用實際上是圍繞著提高物體的可見度展開的。這一概念被稱為 "互傳"（mutual telexistence），主要是將遠程用戶的外觀投射到涂有逆反射材料的機器人上。

假設一名外科醫生通過遠程控制機器人為病人做手術。互傳技術會讓協助手術的人類醫生感覺到，他們是在與一個活人而不是一臺機器一起工作。

隨境游戲

現在，互傳還只是構想，但科學家們仍在不斷推動這項技術的發展。例如，隨境游戲已經成為現實。隨境游戲將游戲體驗延伸到現實世界，無論是在城市街道還是在偏遠荒野（如 Pokémon Go）。玩家通過移動顯示屏在世界中移動，同時傳感器捕捉他們所處環境的信息，包括他們的位置。這些信息會根據用戶所處的位置和正在做的事情提供不同的游戲體驗。

作者：William Harris & Robert Lamb

翻譯：掃地僧

審校：利有攸往

原文鏈接：How Invisibility Cloaks Work | HowStuffWorks

本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：William & Robert

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總結

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