2011年5月25日星期三

懂隱形便懂縮細宇宙? - Nick Lee

2011年5月25日 - 信報

隱形,邊個唔想?壞人隱形,便可為所欲為;好人隱形,便可避過壞人的陷害,阻止壞人為所欲為。難怪隱形經常成為童話及科幻小說的情節。當然,假如壞人勢力強橫,他根本不須要隱形,一聲令下,好人即會「被隱形」;請認清「隱形」和「被隱形」的分別。

現實生活裏,隱形還是天方夜譚,我的長期讀者一定知道,隱形再不是想像中的那麼天方夜譚,至少理論上是可行的,技術上的最大障礙是打造合適的隱形物料。打個譬喻,所有細菌或病毒引致的病症,理論上都可以疫苗預防,最終未必能夠找到有效的疫苗,但理論上的可能性鼓勵專家不斷尋找。今天隱形研究的處境差不多,理論定出了物件隱形的條件,問題是如何實現那些條件。本文回顧一下近幾年的發展。

透明就能隱形

看見物件,因為物件反光;不反光之物,是個黑影,並非隱形。要使物件隱形,必須使其「透明」,怎樣令一件不透明的物件「透明」呢?假如能控制光線繞過物件,如小溪的流水繞過石頭,那物件便會在視覺上消失。原理很簡單,但光線不同流水,不會自動繞過物件,必須有個媒介引導。這媒介的折射率(refractive index)必須小於一,然而所有天然物料的折射率皆大於一,是故隱形物料必須人工製造。

2006 年,此構想給「部分」實現了;我說「部分」,因為那隱形物料只在二維空間隱形,亦即是說,把它放在桌面,只有當你伏在桌上才看不見,坐起來看即時一目瞭然。它還有另一缺陷,只在微波(microwave)照射下隱形,在日光之下「無所遁形」;微波與日光有何分別?兩者波長不同,我們眼睛只能感受日光的波長(因此我們看見日光),不能感受微波的波長(因此我們看不見微波,微波爐運作時「開燈」只是指示之用,發出的微波是看不見的)。因此,這件隱形物料其實是「騙人」的,它只在微波照射下隱形,但我們根本不用微波視物。

那「征服」微波有什麼意義?微波波長比日光長,波長愈長愈易操控(即操控微波較易),用現有技術首先征服微波,證明概念可行,操控波長較短的日光只是技術問題而已。

地毯隱形法

不想給大家一個錯覺,以為征服日光「指日可待」,更棘手的問題是同時操控多種波長的日光。記得牛頓用三菱鏡把日光分成七種顏色嗎?日光其實包含多種波長,在日光下「真正」隱形,必須同時操控所有波長繞過隱藏的物件,理論上可能,技術上絕不容易。暫時隱形物料只能控制一種波長,離開「真正」隱形尚有漫漫長路。

以上一直假設隱形物料「包」着物件,較簡易的方法是把物件放在地上(或任何表面之上),再以隱形物料覆蓋,把突出的地面「偽裝」成平的一樣,此稱「地毯隱形法」(carpet cloak)。這種做法較容易,因為不用處理四方八面的光線,只須應付上面射來的光,使其反射得像平面反射一樣。去年 12 月,有人製造了一塊「隱形地毯」,隱藏一件長 38 毫米、闊 10 毫米、高 2 毫米的物件,是有史以來成功隱形的最「巨型」物體。該地毯能在日光下隱形,但鑑於其採用的材料,它只能在水下隱形,並只有從某些角度觀望才會消失。

操縱光線還有另一重意義。愛因斯坦的相對論說,星體可以扭曲空間,改變光線的路徑。反過來想,能夠操控光線的路徑,即是能夠模擬星體的存在,模擬空間的扭曲,在實驗桌上模擬太陽系、銀河系,甚至宇宙。一些原來只可「遠觀」的天文現象,縮細至實驗室給我們「褻玩」,已經有人用隱形物料模擬過宇宙大爆炸、黑洞、多重宇宙(multiverse)等,開拓另一道認識宇宙的大門。

隱形、幻象、相對論、宇宙,全是虛無縹緲,與日常生活距離得不能再遠的東西,有沒有實際一點的用途?隱形物料可幫助顯微鏡看得更細、更清楚,一般透鏡看不見比光波波長更細的東西,隱形物料打破這限制,蛋白質、病毒、基因也看得見。磁力共振(MRI)和超聲波也可得益,任何影像科技,隱形物料都可增強其解像度。錢幣有兩面,玩弄光線可以令人看見「錯」的東西,也可以令「對」的東西看得更清。

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