主题：隐身衣技术I：导言 -- witten1

按百度百科的说法是

原文主要是理论。我一直对Metamaterials有兴趣，我看那些工艺似乎和我比较熟悉的微加工类似，而毫米波级别的加工，则看起来更容易。

但是我肯定没明白其难点所在。一直希望有人能指点一下这实验上是怎么做这个Metamaterials。要求高的地方在哪里。

老兄既然做过调研，想必熟悉，能否提点几句？或者指出几篇经典文献也成。

sitan兄可以择其一二看看。我那个调研也是两年前的东西，也是偏理论，现在对这一块的兴趣也不大，之所以要翻译这个东西，是因为前一阵答应晨枫兄写一篇的。

未经允许，谢绝转载

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　　　正是M.Faraday（中文翻译“迈克尔.法拉弟”）强调了“力线”的重要性。通在放在磁铁周围的铁粉他“能”看到排列规则的磁力线，这对于M.Faraday而言就代表了真实的物理。这些力线是连续变化的且“力线密度”代表了场的强度。同样，电场线在无电荷存在的时候也是连续变化的（在有电荷存在时可能是出发点（正电荷）或者终止点（负））。事实上对于任何矢量形式的保守量我们总可以找到相应的矢量来代表相应于那个保守矢量场的能流方向，而在电磁场中，这样的量被称为Poynting(中文译：玻印廷)矢量，这个Poynting矢量正代表了电磁场的能流方向。直观上我们可以把Poynting矢量想像成为“一束”光线的数学表达。

　　　Maxwell(中文译：麦克斯韦)方程组恰是Faraday工作的数学实现。Maxwell方程组描述了经典光学的现象并且他们的形式具有坐标变换不变的性质（在这里其实就是Maxwell方程组是Lorentz协变的）。举个例子，如果我们把方程用Cartesian（中文译：笛卡尔）坐标系：

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这里μ(r)和ε(r)相应于磁导率和电介电张量，μ_0和ε_0则相应于真空磁导率和真空介电常数。然后如果我们用柱坐标系重新表达这组方程，则我们所改变仅仅只是μ和ε。Andrew Ward和我在过去利用这些结果去改编原先是用Cartesian坐标写出来的计算机代码使之适用于光纤传导（对于光纤而言，我们可以天然的采取柱坐标系，因为光纤就是柱对称的——即轴旋转对称）（A. J. Ward and J. B. Pendry, J. Mod. Opt. 43, 773 (1996).）。显然由于Maxwell方程组的开然协变性，这样的坐标变换总是可行的，这样对于具体的光学装置我们可以采取最适用于具体的光学装置的边界条件的坐标系以此我们可以去探究一大类的来自简单正则装置的光学器件。（J. B. Pendry, Contemp. Phys. 45, 191 (2004).）

追随Faraday的脚步，我们能够给出坐标系变换的物理内涵：假定我们开始有一组在Cartesian坐标系里给定的电磁场以及与之关联的Poynting矢量。接下来让我们想象着坐标系连续的“扭曲”变换换到一个坐标系。而光学变换正是从力线是有效的“粘”在坐标系上的实现中诞生的（J. B. Pendry, Contemp. Phys. 45, 191 (2004)）。当整个坐标架被“扭曲”变形时，相应于其坐标架的场也发生了相应的变动。所以最终如果我们想引导一束光的路线，我们所要做的是仅仅只是扭曲光线所走的空间的标架即可，这样的过程可以被称作一个光学变换过程——连续的变换提供我们所需要的μ和ε的值让我们可以把光引向我们需要它走的路径。

我跳过光学变换的进一步技术性讨论，其实总得就是一句话，我们要求Maxwell方程的协变性，就是说我们要求Maxwell方程在坐标变换下是不变的，这样把介电和磁导率张量做相应的变换的时候其实就是意味着我们寻找一类特殊的边界条件来达到我们引导光线弯曲前进的目的，通常引力会比较容易一点，可是人工引力在目前的技术条件下应当是不现实的，因为这是直接改变时空的结构，而改变引力场也就是改变周围环境的曲率，所以通过利用一些材料的特殊性质实现特定的介电和磁导率的变换也是能达到等效的功能。

隐身

上图的左上方显示了一光束在自由空间中的传播。我们希望把中间的那个半径为R1的小球隐藏起来，应用从光学变换所学到的知识，那么一个自然的手段就是想办法让光线绕过那小球，而同时又要求任意路径的变形都被限制在半径为R2的大球内（参看右上方小插图）。通过这样的方式，外面的人将既无法察觉到隐身衣也不法察觉到那个被我们隐藏起来的半径为R1大小的东西，从而一个“空”的空间的视觉欺骗就建立起来了。在2006年时候人们（Science 314, 977 (2006).）就通过利用元材料（这一类材料得益于其特殊的亚波长内在结构）在微波范围证实了这样的隐身衣技术确实是可行的。所以在这里我们可以看出，核心的地方在于寻找到恰当的材料，让这样的材料能实现我们所需要的介电张量及磁导率张量的空间变换。上图的底部是另一种实现隐身的方式就是通过仔细的研究被隐身物的性质来制造相应的隐身衣，这样的隐身衣可以抵消一切可能散射光（物体表面的）从而达到使隐身衣和被隐身物同时不可见的目的。

对于隐身衣的一个解释就是隐身衣可以让被隐身物变得非常小从而达到使之不可见的目的，所以上图右上方的球形隐身衣会让被隐身物缩小到一半径几为零的小球。尽管整个球会有非常大的折射系数，但是最终这整个球都会不可见。上图直接告诉了我们两种别的可能性：可以把物体“缩小”到一半径几为内的柱体或者“压缩”到其薄几为零的平面。由于一其细几无内的线具有很大的电感从而不能携带电流，所以其细几无内的线能够提供几乎完美的隐身。然而若把其变换成其薄几无厚的面却不能实现隐身，因为这样的一个面会是一个具有高反射率的平面，这样光线都会被反射出来，从而失去隐身。但是，如果物体的周边环境本来就在一个具有一定反射率的平面上的话，那这样的“压缩”是有意义的，因为这时这样的一个被“压缩”成具有一定反射率的“平面”的柱体就隐藏在了这样的环境之中了，而这就是所谓的“地毯隐身衣”。

尽管在理论上我们给出了隐身衣技术的完美描述，然而说是一回事做出来却是另一回事了。一个是我们所引入的元材料一般是各向异性，另一方面，制造这样的材料的困难程度随着频率的上升而迅速上升（前面所说的例子是在微波范围实现的，那如果是可见光呢？以后我们会说到）。再下一段落我们会具体的来讨论一下元材料。

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元材料

在先前的几节里我们设想了许多种的实现隐身衣的方案，但是如若我们无法找到实现相关功能的材料的话那一切就只是理论上的空想了。幸运的是，其中的一些隐身衣方案相对来说比较容易实现，而元材料的出现极大的拓展了我们可以应用的材料的范围。

元材料的想法就是通过改变已知材料的物理结构来达到我们所需要的电磁场的性质的目的。一个简单的例子就是在电介质里制造出一系来的微小的空穴。如果所有这些的微小的空穴都比相关的入射的电磁波的波长小得多，那么从入射光看到的将是一个平均的响应和约化的有效的介电率。更多得类似于微小的金属共振器的复杂材料能产生更奇特的效应----负折射率。假定被处理的部位（比如先前所说的微小的空穴）保持着远小于波长的尺寸，这时这材料的性质就可以用有效的介电率和磁导率来解释了。可是正如我们所看到的，自然界不曾对材料的电磁性质表现出我们所想要的慷慨，我们只能有非常有限范围的选择，而且具有负折射率的材料在自然存在的材料中并不存在（到目前为止）。所以人工实现的元材料具有负折射率的这一优良性质使得元材料成为实现隐身衣的不二人选。隐身技术要求隐身材料的性质是连续的变化且一般来说材料是各向异性的。元材料适时的满足了这些要求。

上图左半边是第一个的隐身衣技术在微波频率范围（@8.5GHz by Duke Group）内的实现，其实现了对所被包围区域的几乎完美的隐身；而上图的右半边是另一个隐身衣技术在近红外区域（@632.8纳米（这已经接近可见光了） by Berkeley Group）的实现，我们可以在上图右下方看到其实现了一个4微米*0.4微米见方的几乎完美隐身区域，这样的隐身技术是“地毯式”隐身衣（详见前节介绍）。Berkeley组及别的组的最近几年实验表明恰当的材料的结构设计可以使得“地毯式”隐身衣技术适应用于很宽的频率范围的隐身(从微波到可见光)。

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总结

隐身衣的设计及建造是光学领域的巨大挑战。在理论方面，光学变换为隐身衣技术提供了完整的方案，但在实际实现中则需要完全精通元材料的建造。在射频范围的隐身技术已经取得了很大的进步，而最近可见光范围的隐身衣也已经在有限的波段范围内造出来了。随着在射频范围的隐身衣实际应用的开始，我们可以期望隐身衣技术在全频范围内的进一步的发展。尽管如此，我们还是得说在可以预见的未来，我们能实现的隐身衣仍然将只是“坚硬”实验装置，而从这一点上来说的话，似乎带有“柔软灵活”内涵的“隐身衣”这一词并不是一个对当前技术的恰当描述。

最后，同许多巨大挑战一样，伴随着隐身衣研究过程中的所发展出来的新的技术将不仅仅只是局限于隐身衣的研究而是会在更多更广的领域得到应用。设计并建造一个能精细控制辐射流的系统的能力本身就是一个强大的工具，这个强大的工具必然会有许多别的应用，尽管也许并不是所有的这些别的应用都能如同像隐身衣这样的吸引人眼球。

完。

PS：我跳过了对声波等隐身技术的翻译，感兴趣的朋友可自己直接通过导言里的链接去看。谢谢。

隐身是我从小的梦想。

９０年代的国内某个杂志报道过，美国早就弄出来了，老布什的保镖就有，说第一次海湾战争以后，老布什参加一个阿拉伯国家办的酒会，一个身藏利刃的恐怖分子打算上前行刺，被老布什的一个穿着隐身衣的保镖制止了，因为那个保镖人们的肉眼看不见，那个恐怖分子就好像自己摔倒了一样。

另外就是８０年代国内的报纸曾经登过在欧洲国家，曾经发生过奇怪的现象叫做“波尔代热斯现象”，就是居民住宅里面的家具什么的经常会自己移动，就好像有人故意搬动的，但是看不到这个人的存在。

国内的《奥秘》杂志，８０年代也介绍过这个现象，还说６０年代浙江农村就发生过。

迄今为止还没有能做到你所说的那样可以完全穿在身上而不被人发现的隐身衣。我所知道目前日本有一个组是做的很接近了，不过这个日本的组走的路子有一些不一样。

假定我们有一套可以对可见光隐身的衣服，把全身包裹起来了，但这套衣服对红外不隐身，那么我想我们完全可以利用红外视仪来移动。