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这面盾牌能让人隐身,原型你小时候就玩过

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这面盾牌能让人隐身,原型你小时候就玩过

环球科学 环球科学 04-28 09:53

图片来源:Invisibility Shield Co.


披上就能让自己消失得无影无踪的隐形斗篷,是奇幻作品中的常客。人们也一直在尝试各种各样的隐形手段。不过,如果把隐形的标准稍微降低一点,隐形其实并不难。


人们一直在尝试各种各样的隐形产品。最近,一个英国初创公司Invisibility Shield公布了他们的隐形盾牌产品。这款盾牌能让站在后面的人和背景融为一体,就像这面盾牌后面的所有景物都被加上了一层横向模糊的滤镜。


熟悉的原理,陌生的用途


其实,这面隐形盾牌的原理,和你小时候在街边看到的光栅贴纸原理是一样的。这种光栅贴纸有很多名字,光栅画、立体画、倾斜卡等等,它们都用到了光栅印刷(Lenticular printing)技术。

 

光栅印刷制品的表面,是一层柱形透镜阵列。它可以把另一面平面上的图案的不同部分折射到特定的方向。


图片来源:wikipedia


这样,从不同方向看光栅画,我们就能看到两幅(或几幅)不同的画面。编辑部还有小编把这个光栅画贴到电脑摄像头上,除了物理防窥,还能时不时提醒自己活动颈椎——毕竟谁不喜欢沙雕表情包作成的光栅贴纸呢?


图片来源:小编灵动的电脑


如果把表情包里的每一帧图像都换成同一物体在不同视角上的图案,并且再对图像分布、透镜阵列做出一些调整,让画面随观察角度的变化再细致一些,就能看出栩栩如生的3D效果。

 

而在这面隐形盾牌上,工程师精准调整透镜的朝向,让大部分来自透镜后面的光被散射到观察者的两侧。这面隐形盾牌上的透镜是垂直排列的,这会让这面盾牌把更多其他方向的背景光线折射到观察者眼中。因为大范围的背景和被隐藏的主体相比往往更亮,占比更多,因此观察者往往只能看到被横向模糊的背景,而盾牌正后方被隐藏的物体则几乎消失不见。



隐形盾牌的原理示意图。图片来源:Invisibility Shield Co.


Invisibility Shield公司的创意非常受欢迎,他们在众筹网站kickstarter上公开了自己的计划。众筹目标为5000英镑,现在他们已经收到了38万英镑。显然,大家对这个小玩意儿还是非常感兴趣的。工程师Ian Charnas已经有些迫不及待,甚至直接在网上公布了这面隐形盾牌的制作教程。

 

毕竟,光栅印刷的技术原理并不复杂。早在1915年,诺贝尔生理学奖得主瓦尔特·鲁道夫·赫斯(Walter Rudolf Hess)就为这种结构申请了专利。100年过去了,现在我们可以很轻易的在购物网站上买到相应的原料制作这面透明盾牌。


隐形其实并不难


当然,这样的系统并不完美。很显然,虽然这面盾牌能让观察者难以分辨盾牌后有没有藏着一个人,但观察者一定能很轻松意识到盾牌的存在。就好像开篇图片上,虽然模特的下半身被隐去了,但是他脚底下地砖也被模糊了。

 

如果只是想实现不那么完美的光学隐形,其实完全不需要什么非常高大上的无力“黑科技”。除此之外,还有很多用生活中常见物体实现光学隐形的方法。比如2014年,罗切斯特光学研究所的研究人员用4个透镜实现了光学隐形。


图片来源:University of Rochester


在这个光学系统中,光线传播过程中会聚焦到其中一点上。在这个焦平面上,除了焦点附近,透镜视野中其余环形区域都变成隐形的了。他们还把这项研究整理发表到了《光学快报》上。


该系统的光路图。图片来源:photo by J. Adam Fenster / University of Rochester


这套系统的成像效果和隐形盾牌相比确实好了不少,至少整个画面看起来不会出现不自然的横向模糊。不过代价就是隐形的范围小了很多,因为大直径的透镜制造成本非常高,而且聚光能力太强,可能导致烧伤风险。



使用消色散透镜可以实现更好的效果。图片来源:University of Rochester


罗切斯特光学研究所还很慷慨的公布了这种光学系统制作教程。你只需要4个凸透镜,两个焦距为200毫米(f₁),两个透镜焦距为75毫米(f₂)。并且按照下图排列。其中t₁=f₁+f₂=275毫米,t₂=2f₂(f₁+f₂)/(f₁-f₂)。尽力把所有的透镜调整到一条直线上,就能在1号和2号透镜之间制造一片隐形区域。


真正的隐形不简单


如果更有追求一些,真正的光学隐形需要光子完全透过或绕过物体。去年末,我们曾报道过《科学》杂志上利用气体在极低温度下的泡利阻塞(Pauli blocking)现象实现量子隐身术的实验。简而言之,就是在极低温度下,费米子系统的所有低能态模式都已经被占满了。原本系统中的费米子可以散射光子,但这种情况下,费米子所有的临近振动模式都被占据了,不能轻易改变振动模式,就不再能和光子相互作用,于是光可以透射过这个系统而不发生散射。这实现了真正的量子隐身。


物质波与振动模式的关系可以比作观众与座位的关系。当费米子系统温度较高时(如左图),物质波会随机地以各种模式振动,其近邻的振动模式可能是空缺的;当系统温度非常低时(如右图),所有的物质波都会尽可能以能量最低的模式振动,其近邻振动模式大概率被占据了。(图片来源:MIT)


这样的隐身术听起来非常完美,但如果你想用这种方法实现隐身术,就必须把自己改造成一团“简并费米气体”,并且冷却到极低的温度,压缩到极高的密度。就算不明白“简并费米气体”是什么东西,也能大概猜出来,如果自己真的成了这种状态,凭人类现代的技术,恐怕是保不住小命的。

 

毕竟,生活中总是充满了妥协。如果不是强求完美的量子隐身术的话,或许前两种更简单的方式也能帮你实现隐形。


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