隐身衣如何使人隐形?

作者:张轩中来源:蝌蚪五线谱发布时间:2013-07-26

隐身衣使人隐形的原理是什么?这种衣服采用什么材料制成?使人隐形的方法仅有一种吗?隐身衣距离问世还需多久?敬请期待探索解密。

  隐身衣如何使人隐形?先要知道人的眼睛为什么能够看到物体。这是因为有光线照射在物体上,然后这些光线再被物体反射进入我们人类的眼睛,人的眼睛里的晶状体相当于一块可以自动调焦的凸透镜,而视网膜就好像是一个光学CCD——与用在一般数码相机里的CCD原理一样,于是,物体就可以在视网膜上成一个倒立的缩小的实像。长期的生物进化使我们人类可以把倒着的实像再倒过来,然后还能通过视神经系统计算出像的实际大小。这就是人类眼睛的工作原理。

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  看来,人类要看到某一个物体,反射光线是非常重要的,一个不会反射任何光线的物体就是黑体。黑体是物理学上的一个重要概念,任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律,物理学家们定义了一种理想物体——黑体。因此,所谓黑体是指入射的电磁波全部被它吸收,既没有反射,也没有透射(当然,黑体仍然要向外辐射,但它辐射出来的波长是全频率的,而不是特定波长的,换句话说,你用一束单一波长的激光去照射一个黑体,黑体会把激光全部吸收掉,然后辐射出各个波长都有的黑体辐射)。显然,自然界不存在真正的黑体,但许多物体是较好的黑体近似(在某些波段上)。黑体辐射情况只与其温度有关,与组成材料无关。

宇宙微波背景辐射全景图

宇宙微波背景辐射全景图

  在宇宙中有比较标准的黑体,一个是我们的宇宙在大爆炸开始以后发出的辐射,到现在138亿年以后已经冷却,被称为宇宙微波背景辐射,另外一个是霍金把量子力学应用到广义相对论领域,得到的所谓黑洞也在发光,黑洞所发出的霍金辐射就是标准的黑体辐射。太阳表面发出的辐射,也可以近似看成是黑体辐射,黑体辐射的一个特点是你不知道到底是什么材料在发光,也不知道是一个什么形状的物体在发光,你失去了所有信息,只能知道发光物体的温度。这有点像阿基米德浮力定理,浮力大小只与体积大小有关,但与物体的形状无关。

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  这是宇宙微波背景的辐射图,是典型的黑体辐射,横坐标是波长,纵坐标是辐射能量密度。波长与光的频率的乘积就是光的速度,不同波长的光,其颜色也不一样,比如钢铁一开始燃烧会变红,继续烧后会变蓝。不同温度的黑体,通过发出辐射的主要波长确定不同的颜色。根据维恩位移定律可知,通过辐射的主要波长确定的颜色,可以反推出发光物体的温度。

  所以,要让一个物体看起来隐身,其中一个办法是将它改造成为一个黑体。我们看到,黑体能吸收所有照射在它身上的光线,隐藏自己的形状信息,外界只能探测到一个温度。所以从严格意义上讲,这种改造方法需要我们穿上一件黑体衣。这个黑体衣的材料到底是什么,现在还没有人能完全说清楚。

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  除了这种利用黑体辐射的办法,还有没有其他办法呢?一种叫做“负折射率”的办法也提供了另外一个使物体隐身的思路。

  什么是折射率呢?在古典的光学理论中,因为光在不同的介质中传播的速度大小不一样,所以入射角度与折射角度不一样,会产生光的传播路线的弯曲。这两个角度的正弦数值之比就是折射率——这叫作斯涅尔定律。

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