当哈利波特的“隐身斗篷”成为可能...

承认吧，其实你很想拥有一件隐形斗篷。如果你在派对上说了什么令人社死的话，你只要穿上这件神奇衣服，就能从派对同伴们嘲讽的目光中消失。如果还想听听老板对你的真实评价？直接走进他或她的办公室，就能得到答案。

在科幻小说和奇幻世界中，这种奇妙的时尚配饰已经成为了标准配置。从哈利-波特（Harry Potter）和他的好兄弟罗恩-韦斯莱（Ron Weasley）到星际旅行猎人，他们每个人的衣橱里都至少有一件隐形上衣，但我们这些现实世界中的普通人呢？

麻瓜们，科学界带来了好消息：隐形的斗篷已经可以实现了。虽然这项技术还远远不够完美，并不会像真正的隐形斗篷那样提供真正的隐形效果，但我们会教你怎样选择隐形斗篷。

海市蜃楼效应

在图中，我们可以看到多壁碳纳米管（MWCT）从非活性变为活性状态之后，这些多壁碳纳米管从人们的视线中消失了。

首先，让我们试试这件碳纳米管隐形斗篷合不合身，顺便体验一下海市蜃楼效应的奇妙之处。

海市蜃楼效应: 碳纳米管

你可能对海市蜃楼最熟悉不过了，传说沙漠中的流浪者瞥见遥远的绿洲，却发现那只是海市蜃楼--没有神奇的湖水可以饮用，只有很多滚烫的沙子。

热沙是造成海市蜃楼效应（或光热偏转）的关键原因，因为沙子和空气之间的较高温差会使光线弯曲，也就是折射。折射使光线向上射入观看者的眼睛，而不是从表面反弹回来。

在沙漠海市蜃楼的经典例子中，这种效果是在地面上出现 "半亩方塘"，而你可以看见里面"天光云影共徘徊"，你有逻辑的（和口渴的）大脑会将其识别为一滩水。您可能在炎热的路面上见过类似的效果，远处的路面似乎闪烁着积水的光芒。

实验与潜在机遇

2011 年，得克萨斯大学达拉斯分校纳米技术研究所的研究人员成功地利用这种效应。他们使用碳纳米管薄片，包裹成圆柱管状的碳薄片。每一片的厚度仅相当于一个分子直径大小，但强度却不亚于钢铁，因为每个碳纳米管中的碳原子都结合得非常紧密。这些薄片还是很好的热导体，是理想的海市蜃楼制造材料。

在实验中，研究人员通过电加热碳纳米管薄片，它将热量传递到周围区域（盛水的培养皿）。这使得光线传播方向在碳纳米管片处弯折，从而有效地使碳纳米管片后面的任何东西隐形。

显然，你应该不希望在很多地方穿上它：一件必须浸泡在水中的超热微型热迷彩外套，但这项实验证明了这种材料的潜力。相信经过一段时间，这项研究不仅可以实现隐形斗篷效果，还可以实现其他光弯曲装置--所有这些装置都有一个便利的开关。

超材料的概念

接下来，让我们穿上超材料制成的隐形斗篷。

利用超材料来弯曲光波

超材料提供了一种更引人注目的隐形技术，无需多个投影仪和摄像头。俄国物理学家维克多・韦谢拉戈 (Victor Veselago) 于 1967 年首先提出了超材料的概念，这些微小的人造结构比光的波长还小（它们必须如此才能使光波转向），并表现出负电磁特性，从而影响物体与电磁场的相互作用。

折射率和波的相互作用

天然材料都具有正折射率，这决定了光如何与它们相互作用。折射率部分受化学成分影响，但物质的内部结构起着更重要的作用。如果我们改变材料的结构，我们就能改变材料对入射光的折射方式--甚至从正折射率转换为负折射率。

请记住，图像是通过光传播给我们的。声音通过声波传播给我们。如果能引导这些波绕过物体周围，就能有效地将物体隐藏起来，使其不被看到或声音不被听到。

想象这有一条小溪。如果你把一个装满红色染料的茶袋放入流水中，由于它改变了水的颜色、味道和气味，下游的人就会发现它的存在。但是，如果能让水流绕开茶包流动将如何呢？

超材料织物与能量波

2006 年，杜克大学的戴维-史密斯（David Smith）利用英国理论物理学家约翰-彭德里（John Pendry）早先提出的理论，制造出一种能够扭曲微波流的超材料。史密斯研发的超材料织物是由包含电子微波扭曲器的同心环组成。启动时，它们会将特定频率的微波引导到材料中央区域。

显然，人类看不到微波，但这项技术证明，波可以绕过物体。想象一下，一件斗篷可以使三年级学生扔出的唾沫沾湿的纸球偏离原来的方向，让它绕过穿着这件斗篷的人，并让它在人的另一侧继续飞行，就像它的轨迹可以毫无阻碍地直接穿过这位穿斗篷的人一样。

史密斯研发的超材料证明了这一方法。隐形的秘诀在于使其适应不同的波。

最小的边界

超材料是一种科学创造的产物，自然界中本不存在。科学家们采用了纳米技术创造出改变电磁波方向的微小结构。

超材料：隐形坦克

这幅光学图片显示了马里兰大学研发的超材料发挥的作用，它能将光波从每个中心圆圈引导开。箭头表示光波的方向。

2007 年，马里兰大学的伊戈尔-斯莫利亚尼诺夫（Igor Smolyaninov）带领他的团队在隐形之路上走得更远。斯莫利亚尼诺夫结合普渡大学弗拉基米尔-沙莱夫（Vladimir Shaleav）早先提出的理论，研发了一种超材料，能够将可见光在物体周围弯曲。

普渡大学的斗篷仅有 10 微米宽，利用的是注入偏振青色光的同心金环。这些环能将射入的光波引导远离隐藏的物体，从而有效地使其隐形。武汉大学的物理学家将这一原理应用到声音领域的研究，提出了一种声隐形斗篷，能够将声波绕物体周围偏转。

就目前而言，超材料隐形斗篷还存在一定的局限性。它们不仅体积小，而且仅限于二维环境--很难让你消失在三维的环境中。

另外，这样做出来的斗篷太重了，甚至一个成年巫师也不愿意拖它着走。因此，这项技术可能更适合用于隐藏固定建筑物或坦克等车辆。

光学伪装：改变现实

光学伪装技术不会让你隐形于多眼的怪物，甚至不会让你隐形在流浪猫和松鼠面前。

准备好穿上老式的光学伪装服了吗？

这项技术利用了增强现实（AR）技术--一种由伊万-萨瑟兰（Ivan Sutherland）和他在哈佛大学和犹他大学的学生于 20 世纪 60 年代首创的技术。

光学伪装带来的体验与哈利-波特的隐形斗篷类似，但使用时需要稍加复杂的安排。首先，想要隐身的人（我们称他为哈利）穿上一件类似连帽雨衣的衣服。这件衣服是由一种特殊材料制成的，之后会仔细研究。

接下来，一个观察者（暂且称他为斯内普教授）站在哈利面前的某个特定位置。在那个地方，斯内普没有看到穿着连帽雨衣的哈利，像是透过斗篷看到后面，让哈利看起来是隐形的。

上面的照片显示了斯内普（Snape）会看到什么。如果斯内普走到一边，从一个稍微不同的位置看哈利呢？他看到的恰是这个穿着银色衣服的男巫。随之而来的可能是怒目而视和拘留。哈利很幸运，他在小说中的斗篷可以为他提供全方位的保护。

增强现实与虚拟现实

增强现实系统将计算机生成的信息添加到用户的感官中。例如，想象一下你走在城市的街道上。当你注视着沿途的景点时，补充信息就会出现在眼前，用来增强和丰富你的正常视角所看见的内容。也许是餐厅的当日特价、剧院的演出时间或车站的公交时刻表。

需要明白的是，增强现实技术与虚拟现实技术不同。虚拟现实旨在取代现实世界，而增强现实只是试图用额外的、有用的内容来补充现实世界。可以把它想象成日常生活中的抬头显示器（HUD）。

光学伪装的组成部分

大多数增强现实系统需要用户使用一个特殊的观察装置，以此来观察那些用合成图形增强的真实世界场景。系统中还包括一台功能强大的计算机。光学伪装也需要这些东西，但它还需要其他几个组件。以下是让人隐形所需的一切：

高反光材料制成的衣服：数码摄像机 一台电脑 一台投影仪 一种被称为 "组合镜" 的特殊半涂银面镜

光学伪装：隐形斗篷组成

好了，有了摄像机、电脑、投影仪、组合器和神奇的反光雨衣。增强现实技术是如何将这份奇怪的购物清单变成隐形配方的呢？

逆反射材料

首先，仔细看看这件雨衣：它是由逆反射材料制成的。这种高科技织物上布满了成千上万颗小珠子。当光线照射到其中一颗小珠子上时，光线就会沿着来时的方向反弹回来。

要了解这种独特的原理，可以看看光线是如何从其他类型的表面反射出来的。粗糙的表面会产生漫反射，因为入射光线会向许多不同的方向散射。完全光滑的表面，如镜子，会产生所谓的镜面反射--入射光线和反射光线与镜面形成完全相同的角度。

光线反射和逆反射

在逆反射中，玻璃珠就像棱镜一样，通过折射使光线弯曲。这使得反射光线沿着与入射光线相同的路径返回。结果就是：位于光源处的观察者会接收到更多的反射光，从而看到更明亮的反射效果。

逆反射材料其实很常见。交通标志、路标和自行车反光板都利用了逆反射，使夜间行车的人更容易看到。大多数现代商业影院中的电影屏幕也利用了这种材料，因为它能在黑暗条件下产生高亮度。

在光学伪装中，逆反射材料的使用至关重要，因为它可以从很远的地方看到，也可以在室外的强光下看到--这是让人产生隐形错觉的两个必要条件。

在其余的设置中，摄像机需要放置在拍摄对象的后面，以捕捉背景。计算机从摄像机捕捉图像，计算适当的透视，并将捕捉到的图像转换为应该投影到逆反射材料上的画面。

投影仪和组合器

然后，投影仪通过一个由光阑控制的开口，将修改后的图像投射到服装上。

这种光阑由不透明的薄板制成，转动一个环可以改变中央开口的直径。要使光学伪装正常工作，这个开口必须是针孔大小。为什么是这样大小的开口？这样可以确保更大的景深，从而使屏幕（在本例中为斗篷）与投影仪保持任意距离。

最后，整个系统需要一面特殊的镜子，既能将投影图像反射到斗篷上，又能让从斗篷上反弹出来的光线返回到使用者的眼睛里。这种特殊的镜子被称为分光镜或组合镜--一种半涂银面镜，既能反射光线（银色的一半），又能透射光线（透明的一半）。

整合计算机生成的图像

如果将组合镜正确地放置在用户眼前，用户就能同时感知计算机增强的图像和来自周围世界的光线。

这一点至关重要，因为只有让计算机生成的图像和现实世界的场景完全融合，才能让隐形幻觉看起来逼真。用户必须通过镜子上的窥视孔才能看到增强现实。

现在，把所有这些组件放在一起，看看隐形斗篷是如何让人看起来是透明的。该图显示了所有各种装置和设备的典型排列方式。

当一个人穿上用逆反射材料制成的斗篷后，事情的发展顺序是这样的：

数码摄像机拍摄穿斗篷的人身后的场景。

计算机处理捕捉到的图像，并进行必要的计算，调整静态图像或视频，使其在投影时看起来逼真。

投影仪从计算机接收增强后的图像，并通过针孔大小的开口将图像投射到组合镜上。

镀银的半面镜子是完全反光的，它将投射的图像反射到穿斗篷的人身上。

斗篷就像电影银幕一样，将光线直接反射回光源，这里的光源就是镜子。

斗篷反射的光线穿过镜子的透明部分，落在使用者的眼睛上。请记住，斗篷反射的光线来自于穿斗篷的人背后的实际存在的场景图像。

穿斗篷的人看起来是隐形的，因为背景场景显示在逆反射材料上。与此同时，周围其他地方的光线也可以照射到用户的眼睛上，从而让人觉得在一个看起来正常的世界里存在着一个隐形人。

光学伪装：真实世界的隐形应用

"隐形斗篷"这个词往往会让人联想到梦幻般的冒险、神奇的间谍活动和超凡脱俗的欺骗。然而，光学伪装的实际应用却远没有那么夸张。你不要幻想隐藏你的罗武伦星飞船里闲逛，但这并不意味着这项技术没有一些可行的用途。

航空和驾驶领域的应用

例如，飞行员在降落飞机时，可以利用这项技术让驾驶舱地板变得透明。这样，他们只需低头看一眼地板（地板上会显示机身外部的情况），就能看到跑道和起落架。

同样，驾驶员也不必处理后视镜和盲点的问题。相反，他们只需 "透视" 整个车尾即可。这项技术甚至有可能应用于医疗领域，因为外科医生可以使用光学伪装来"透视"他们的手和器械，可以很好的地观察下面的组织。

相互同传

有趣的是，这项技术的一个可能应用实际上是围绕着提高物体的可见度展开的。这一概念被称为 "互传"（mutual telexistence），主要是将远程用户的外观投射到涂有逆反射材料的机器人上。

假设一名外科医生通过远程控制机器人为病人做手术。互传技术会让协助手术的人类医生感觉到，他们是在与一个活人而不是一台机器一起工作。

随境游戏

现在，互传还只是构想，但科学家们仍在不断推动这项技术的发展。例如，随境游戏已经成为现实。随境游戏将游戏体验延伸到现实世界，无论是在城市街道还是在偏远荒野（如 Pokémon Go）。玩家通过移动显示屏在世界中移动，同时传感器捕捉他们所处环境的信息，包括他们的位置。这些信息会根据用户所处的位置和正在做的事情提供不同的游戏体验。

作者：William Harris & Robert Lamb

翻译：扫地僧

审校：利有攸往

原文链接：How Invisibility Cloaks Work | HowStuffWorks

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：William & Robert