圖/樹下繪本
光線遇到斗篷而折射轉彎,像是被斗篷扭曲,從小圓形區域旁邊繞過。 圖/樹下繪本
文/簡麗賢
校慶前,物理課正好談到幾何光學,學生告訴我,她想披上電影《哈利波特》的隱形斗篷,製造園遊會的驚奇效果,問我:「隱形斗篷真的存在嗎?科學原理是什麼?」
光線折射 物體隱形
《哈利波特》作者J.K.羅琳筆下的隱形斗篷,是父親留下來的魔法寶物,一披上,人瞬間消失。這件法寶充滿想像力和光學概念,值得聊聊。
我們能看到物體,是從物體反射的光線進入我們的眼睛,成像在視網膜;如果能讓光線轉彎,繞過這個物體,光線不會從這個物體反射光線到眼睛,即無法看到此物體,物體隱形而憑空消失。不過若要真正隱形,除了騙過眼睛外,還能避過紅外線或熱感測儀器等偵測。
隱形斗篷是很有趣的科學主題,也是材料學研究發展的方向,就光學原理和視覺效果而言,隱形斗篷製造的隱形效果,科學原理與光的折射或全反射有關,涉及物體材質的光學「折射率」概念。
「隱形」是讓光線轉彎,如何讓光線轉彎?光學「折射」可做到。當光從一介質如空氣,進入另一種介質如水或玻璃時,因為光在不同的介質中,傳播的速率不一樣,在兩介質的交界面就會發生偏折。如果要讓光線偏折好幾次,可以使用好幾層不同的介質,就可能達成目的。因此,隱形斗篷需要幾層不同材料組成。
英國物理學家約翰潘德瑞(John Pendry)提出隱形斗篷的科學概念,說明「超穎材料(metamaterial)」製作隱形斗篷,只要能創造一個光線無法進入的空間,如同《哈利波特》小說電影情節的神祕藏身處,物體就能被隱藏。或者,想像一種情境,遇到令人尷尬或不想待下去的場合,只要披上隱形斗篷,就能像《哈利波特》的主角不動聲色,巧妙離席。
數年前曾受邀到台灣演講,柏克萊加州大學的物理學家張翔教授,其研究團隊發現一種特殊物理性質的超穎材料,能夠使可見光彎曲,繞過某物品或某棟建築物,會產生近似隱形的效果。此發現引起科學家的討論,德國科學家韋格納認為肉眼可見的所有物體和顏色,若要完全隱形,基本上不可能,因為大自然外界環境、光源和視角太複雜,無法像實驗室的環境單純。
美國康乃爾大學的研究人員對外聲稱,已發展出時空斗篷,可以隱藏某一時刻中的某個物體,研究團隊在實驗中,讓一道雷射光穿透一具實驗儀器,然後進入偵測器。只要有物體位於這道雷射光行經的路線,都會改變雷射光,偵測器便會偵測到變化。研究人員運用巧妙的光學原理,在光線中製造短暫的時間間隙,再恢復原狀,彷彿光線未曾發生任何變化,因此偵測器不會偵測到任何改變而留下蛛絲馬跡。
材料玄機 負折射率
目前科學家認為運用「折射率為負值」的超穎材料,可能製成隱形斗篷。折射率是材料的物理特性,像密度、熔點、沸點等,是辨別物體由哪種材料組成的依據。當光從空氣中進入另一種物質時,例如光從空氣進入玻璃,光線會偏折,偏折的程度愈大,表示該物質或該玻璃的折射率愈大。
一般物質的折射率為正值,例如玻璃折射率大概1.5。如果有一種材料,會造成入射光線與折射光線位在法線的同一側,這樣的物質折射率就是負值。以目前奈米科技的技術,科學家已能研發「負折射率」的奈米結構材料。隱形斗篷或許不再是想像的電影情節。
水能載舟也能覆舟,或許有人擔心,隱形衣一旦使人「消失」,會不會讓犯罪的誘因蠢蠢欲動?學生會不會用隱身術蹺課?員工會不會藉此蹺班?電影《隱形人》片中的隱身衣導入驚悚片,讓人不禁思考科學研究與人文關懷的議題。
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