實踐「隱形」奇想

（本文從前文「隱形『術』」衍生，並刊於2009年4月15日信報副刊「新知」欄。）

這數年間，「隱形」已經悄悄地從神話走進科學期刊，從想當然的魔術變成以物理學為基礎的技術。正如所有嶄新學科，科學家仍在摸索各種達致隱形的方法和途徑，有點令人眼前一亮的是，走在這科學最前端竟是幾位香港學者。本文會為大家介紹隱形的原理和港人在這方面的貢獻。

首先我們要知道隱形其實是什麼一回事。我們看見一件物件，是因為它把光線反射。可是，要令這物件隱形，並非令到它不反射這麼簡單，這只會在我們眼前製造一個黑影。若要隱形的效果，見不到物件的同時，我們必須看見「躲」在其背後的背景。

最容易想像的方法是：要令其隱形，必先令其透明。1897年出版的科幻小說The Invisible Man的主角就是發明了一劑處方，吃了之後可以令身體的折射率（refractive index）跟空氣一樣，光線便會像穿過空氣般穿過他的身軀，既不折射也不反射，達致隱形的效果。空氣的折射率是1，一般物質（例如水和人體）的折射率卻大於1，因此空氣中的光線碰到物質時會改變路線（反射，折射，或兩者皆有），這也是為何浸入水中的樹枝看上去像屈折了的原因。一件物體的折射率就像是對光線的一道「指令」，「告訴」光線碰到其表面之後的路線，如果這物體的折射率跟空氣一模一樣，對於光線（和我們的視覺）來說，這物體也跟空氣一模一樣。可惜，這方法知易行難，科學家唯有另謀他法。

其次，就是造一個如左圖的外殼，這外殼是中空的，它的特別之處是把光線引導離開中心的部份，任何被這外殼包圍著的物件，不會沾到絲毫光線。離開外殼前，光線會被還原到原來的軌跡，令這外殼及其內在物好像從來沒有出現在我們眼前。想法是這樣，但科學上可行嗎？光的法則容許我們這樣做嗎？科學家告訴我們，把光線如圖般引導，這外殼需要一個「少於1」的折射率。上面說過，一般物質的折射率大於1，少於1的大自然很難找，需要人工製作；這些人造物料泛稱metamaterial，由於折射率「少於1」，它們的光學特性非常獨特，除了製造「隱形外殼」，還有很多其他用途。製作metamaterial又是另一門日新月異的頂尖學問。

2006年10月，一組科學家成功地製作了一個「隱形外殼」，示範了這概念的可行性。不過，這技術有一弱點：隱藏殼內的物體是「盲」的，因為與外界光線完全隔絕，就像處於一個絕對漆黑的房間。

所以，科學家想出第三個方法：魔鏡。試想像，你拿著一塊普通的鏡子，當別人看著你的時候，他會看見兩個「你」：一個真實的「你」，和一個從鏡子反射出來的「你」。魔鏡同樣會把光線反射，但其鬼昧之處，在於反射出來的影像會把真實的影像剛好抵消；在觀察者的眼中，魔鏡反射出來的那個「你」會剛好抵消真實的那個「你」，也就是說「看不見」你了。由於你處身於魔鏡以外，可以接收外界光線，儘管別人看不見你，你仍然可以對身邊事物瞭如指掌。

2006年3月，一組科學家提出這個「魔鏡」理論，不過他們的「魔鏡」有很大的局限性，實用意義不大。例如，這「魔鏡」只能隱藏一條線，一條理論上沒有闊度只有長度的線。（把問題由3-dimension簡化至1-dimension，這是物理學家喜愛的做事方式：首先把問題簡化，解決了簡化的版本之後，再研究怎樣把結果推廣至更複雜的層面。）

2008年11月，「魔鏡」技術有了突破。香港科技大學的賴耘、陳煥陽、張昭慶和陳子亭發明了一個方法，可以令「魔鏡」隱藏一件物體，一件3-dimensional有長闊高的物體。這，更接近現實。

讓我簡略地說說「魔鏡」的構造。「魔鏡」有兩層，裡面一層是空氣（或跟空氣擁有相同折射率的物料），外面一層的折射率跟空氣剛好「相反」，例如空氣的折射率為1，外面那一層便是-1。（這是比上面「隱形外殼」的要求更進一步，「隱形外殼」要少於1，不過仍是正數；「魔鏡」要負數。負折射率的物料大自然當然找不到，製造「魔鏡」的功勞又要歸功於metamaterial了。）不過，這結構只能夠隱藏一條1-dimensional的線，亦即是那個不大實用的版本。

四位科大學者的突破就是在「魔鏡」外面那一層之中嵌入一個「反像」，這「反像」的光學特性和需要隱藏的物件剛剛「相反」，例如我要隱藏一顆骰子，這骰子的折射率是1.5，那「反像」的便是-1.5。因此，這「魔鏡」其實包含了三層物質：最內層的像空氣，外層是空氣的「相反」，外層中間再嵌入骰子的「反像」。由於每件物件的折射率和形狀都不一樣，這「魔鏡」是要根據需要隱藏的物件而定造的。

科大學者已經用電腦模擬証實了這「魔鏡」的可行性，他們正和一些美國大學合作製作一個prototype來示範，大家拭目以待吧。

科大學者的論文發表之後不久，又再有人想出第四個隱形的方法，篇幅所限，不在這裡描述。說到底，這是一門嶄新的科學，發展日新月異，大家都在摸索，最後哪一個方法能夠從實驗室突圍而出走進日常應用，誰都說不準。隱形的實現，除了理論的突破，還取決於metamaterial的製作。我們日常見到的光線是有多種波長的，但由於製作技術的局限，現時的metamaterial只對某一個波長的光線才起到作用，例如某個「隱形外殼」或「魔鏡」只對紅光有效，在只有紅光的情況下「當然隱形」，但在有多種波長的日光照射下便會「忽然現形」了。Metamaterial是另一門有趣學問，製造隱形物料只是其眾多用途之一，將來有機會再向大家介紹。

雖然隱形技術在短短數年有長足的進步，它離開日常應用還有一大段距離。以現今學術發展之快，幾年後回顧本文，可能已有事過境遷之感，但在這個金融城市，得知幾位香港學者在學術洪流中佔一席位，不禁教人耳目一新。