隐形斗篷不仅是奇幻小说主角哈利'波特的秘密武器，在真实世界里也是军事和情报组织极感兴趣的对象，因此许多研究都积极要发展能躲过监视系统或者雷达系统的材料。最近，美国和英国的研究人员宣称他们已经获得第一个成功。
杜克大学的David Smith和同事利用具有特殊结构的超材料制作出一种装置，能使物体在一些雷达系统使用的微波下几乎隐形。隐形斗篷是根据英国物理学家John Pendry的设计来制作，它能弯曲物体旁边的电磁波，就像水流过一块平滑的石头。这使观察者"看不见"斗篷和物体，因为斗篷或物体都不会散射或吸收电磁波。
上述斗蓬是其实是由排列成环状的隙环共振器(split-ring resonator, SRR)所组成，圆环半径约6 cm。SRR是由17 μm厚的细铜线所构成，外观呈有缺口的方形环，研究人员将它们排成十层同心环，环高为三个SSR。Smith指出，此斗篷与其它超材料系统最大的差别在于，它的电磁特性被设计成随位置逐渐变化。斗篷围绕一个直径25 mm的铜柱(做为物体)，整体暴露在约10 GHz的电磁波中，并透过一条可移动的天线来观察斗篷与电磁波的相互作用。虽然斗篷会吸收和散射少许微波，但电磁波确实在物体周围弯曲并在另一端重合。

透过改变形状、尺寸和共振器的排列，研究人员能控制斗篷内任一点的介电系数和磁导系数，而变换光学的理论可以决定哪些磁导和介电系数能使电磁波平滑地通过物体周围。藉由超材料的发展，变换光学经已经成为物理学上一个新兴的领域。

圆筒形的斗蓬意味着它只能做二维的屏蔽，且目前的设计只在一个相当狭窄的微波频段内有效。研究人员正试着制作圆形的装置，以期在各方向都隐形。至于可见光波段的隐形斗蓬由于需要比目前更小更复杂的结构，因此仍属科幻情节。

激动人心的假设的一节课

潘德瑞教授站在讲坛上，身边是一个直径约为两米的球体，被一块白色的大幅幕布覆盖着，十分惹人注目。教授一把掀开幕布。啊？！下面什么也没有！教授朗声大笑。
     2016年7月15日，英国伦敦帝国学院(Imperial College)的讲堂内媒体云集，来自全球的记者将见证一个重要的历史时刻：约翰·潘德瑞(John Pendry)爵士即将展示他的最新发明。之前，他一直对发明内容守口如瓶。而今天，谜底马上就要在全世界面前揭晓。这个万众瞩目的对象就在讲坛中央，被一块幕布覆盖着，近在咫尺。此刻唯一可以确定的是它看起来像个直径约为两米的圆球。

　　扣人心弦的时刻来到了。只见约翰·潘德瑞教授向圆球缓缓走去，悬疑已久的神秘物体即将揭开面纱。他抓住幕布……猛地将它揭开，神秘物体顿时“展现”在记者们面前。他们朝着先前还被幕布覆盖着的地方使劲地看了又看，一个个目瞪口呆：那里——什么也没有！讲堂里一阵骚动。但潘德瑞教授立刻终结了大家的疑惑，他郑重宣布：“女士们，先生们，这就是世界上首台隐形器！”他举起拳头敲打那个看似空无一物的空间，随即传来了笃笃的声响，证实那里确确实实有物体存在。“这台机器，诸位是看不见的。这是一个中空的球体，其内部足以容纳一个人。坐在这个球体中，您也同样会被隐形。这是一个绝妙的隐形装置。”还没回过神来的观众们一片寂静，但随即照相机闪光灯开始在四面八方闪烁，问题也一个接一个地层出不穷。面对这阵势，潘德瑞教授谈笑风生……

如果有一天梦想成真……

　　当然，这革命性的一幕还没有发生。但据潘德瑞教授所说，这只是一个时间问题。因为在理论上，他已经知道应该如何去做了……事实上，“只要”造出一个完全不透光的球体，让光线从球体表面滑过，这样就不会暴露球体的存在。想要知道更多吗？请看下文吧！我们的一名记者聆听了潘德瑞教授的讲座，并记下了讲座的内容和相关的图例（虽然它们还只是处在理论阶段）。

潘德瑞教授的光学课

　　我们之所以能被看见，是因为有光。想要隐形，首先应该弄明白为什么我们会被别人看见。这当然是光干的好事。太阳或电灯射出光线，后者沿直线传播，直至遇到某一物体或人，比如在座诸位。这时，光线会被障碍物阻挡而发生反射（就像一只皮球碰到墙壁后反弹回来一样），射向各个方向。当反射光线射入一位观察者眼中，您就被他看见了。另外，对于观察者来说，您也挡住了您身后物体所反射的光线。这使观察者无法看到您身后的东西，同时也使他确认，在树木和他本人之间有一个障碍物：就是您！

　　我们之所以被别人看见，是因为我们阻挡了光线的直射。既然如此，只要我们不让光线在我们身上发生反射，就可以完全隐形了。根据这一原理，潘德瑞教授设想出一个球体，可以让光线沿着其表面一滑而过，就像河水绕过岩石，继续往前流淌一样。具体说来：阳光绕过球体（1），树木反射的光线也绕过球体，然后沿原来的路线继续传播，最终到达观察者眼中（2）。后者除了树木之外，什么也看不到，因为肉眼是无法觉察光线传播的这条奇怪线路的。对眼睛来说，光线是直线传播的。在它看来，球体所在之处空无一物，光线从那里直穿而过。“这个想法听起来不错。但光线又不是编织带，怎么能随便弯曲呢？”一位记者提出异议。潘德瑞教授反驳说：“错！有一个很好的例子，可以证明光线是会弯曲的，那就是海市蜃楼。”

巧夺天工的隐形球

　　潘德瑞教授设想的隐形球，中央有一个空间，置身其间的物体甚或是人（当然首先得解决他的呼吸问题）都能被隐形。球体的作用，就是引导光线绕过球体中间的空间，并让它沿着发生弯曲之前的方向继续传播。这就如同在海市蜃楼中，光线经过的多次折射一样。唯一的不同是，现在，这种折射在人为控制下完成的。

　　从海市蜃楼现象中，我们可以看到，当光线穿梭于不同温度的空气层时，它的传播方向会发生改变。因此，我们可以想象这个球体由很多同心球层构成，就像一个高科技洋葱。这个洋葱每一层的温度都被精确设定，以使光线能根据需要发生折射。只是要控制好每一层的温度是件非常复杂的事情。还有一种办法，就是利用超常介质（Metamaterials）。这种发明于十多年前的革命性材料，可以改变光线传播的方向。

让物体隐形的材料

　　超常介质并不是科幻小说里的东西，它在现实中已经存在。您也不要以为它是用什么来自宇宙深处的天外物质做成的。乍一看，您可能会以为它是一块塑料板。将它切开后，您就会发现它的内部隐藏着一些微小的铜卷和铜丝，它们构成不计其数的电路。正是这些电路改变了光线的方向。

EE Times：隐形的概念起源于何处？

David Schurig：隐形概念最早来自于John Pendry和Andrew Ward在1996年的一篇论文。在有限元素分析的网格分割商业化软件具备易用性之前，他们试图将复杂的几何形状转换成较简单的几何图形，以简化有限元素程序的仿真分析。就在去年，Pendry发现他和Ward在这些虚构空间中所用的物质特性已经可以具体实现了，而这都得归功于新兴的超物质。

EE Times：因此在1996到2006年的十年之间，就实现了从Pendry的学术论文到与杜克大学David Smith教授合作的隐形组件研究吗？

Schurig：是的。Pendry想象在这个奇异空间中可以任意弯曲或扭转，甚至还存在着一些可以藏东西的洞。他的新理论告诉我们如何在正常空间中建构出与在虚构空间一样行为方式的物质。

EE Times：那么电子工程师应该如何想象这种转换？

Schurig：他们可以想象一块中间有洞的纺织布料，而这个洞的形成是透过将一尖锐物体穿过其中的纺织线头，但不撕破它们。而这个洞就是可以在二度空间中隐藏东西的地方。电磁场被局限于沿着这些线头移动，但却无法接触到隐藏在洞里的任何东西。

当然，其诀窍便是要找出一种物质的特性，它可使没有洞的正常空间，表现出好象有洞一样。为达此目的，你可以采取数学描述的方式，解释这些变形扭曲的线头与正常织布间所存在的差异。事实上，这就是坐标的转换。接着你会问，就像在此坐标变换的例子一样，是否也可以为Maxwell方程组找到一组相同形式的物质特性？这些物质特性可使电磁场在我们熟知的平面、无洞空间中，表现出像在扭曲空间中一样有趣的行为模式。

EE Times：Maxwell的四个微分方程式概括了电磁场的所有特性。因此，我猜想你们在去年一定学习到如何转换使其可处理异形空间吧？

Schurig：Pendry自己做了第一组转换，接着开始与David Smith和我共同讨论，而我们也都认为这是相当有趣的；所以我们开始进行更多的转换。其后我写了一些射线追踪程序，以便分别证实这些事情的确如同理论所假设的方式呈现；最后当然所有的一切都得到了证明。

从那时起，杜克大学的另一个教授Steve Cummer采用了Maxwell方程式解算器完成了全波形仿真。那一切都相当顺利地实现了预定目标，这使我们非常惊讶，因为光线会绕过一个物体，而且仍存在于另一侧的相位中，你或许认为它应该会超过光速。

EE Times：我曾经读过那部份的内容。光线绕着隐形区域的外侧所行进的距离比一般时候更长，而且根据以光速行进的定义来看，额外的距离也许意味着它甚至必须行进得更快，以便能与周围的光线保持同步。但是它实际上并未能比光速传输能量更快。因此，它实际上只使用了稳定状态积累的能量，以使一个特定频率相峰超过光速，对不对？

Schurig：是的。你的准备工作做得不错。你相当理解散射和相对论，一切也就是这么一回事。但它不像听起来的这么难。请记住，把东西藏起来让人眼看不见比让一个光谱仪看不见更为容易。人眼只能看到红绿蓝三个波段，而且有各种花招可以蒙骗过人眼。最简单的方式就是当环境是单色时，如丛林中的一切都笼罩在一片绿光的环境下，那么你就可以隐形得很好，即使你的隐形只用有限的频宽。

EE Times：这些超物质只适合工作在像微波一样较长的波长吗？超物质现在能否用于可见光区域？

Schurig：这些超物质目前还不能用于可见光；可能还要再等10年。但从原理上来看，它是可能应用在可见光的。

EE Times：但我可以想象开发出一个能使可见光绕过物体的传统透镜和折射系统。从原理上来看，为什么还需要超物质呢？

Schurig：一方面，转换理论规格所要求的物质必须是异质的，这意味着其特性会随不同的点到点或方向而改变，也就是说物质特性取决于电磁场方位。最后，你还必须找到介电率和导磁率比在自由空间低的物质。

EE Times：我熟悉的超物质可运作在微波中，并以具有开环振荡器(split-ring oscillator)的电路板来提供工作频率的谐振器。这也是你们正提出的设计吗？

Schurig：是的，这大致上就是我们所做的东西。事实上，我们所进行的第一次隐形展示将使用相同的电路板物质。

EE Times：我猜想你们第一款实际的隐形组件将在微波频率处提供一种平滑过渡的效果。情况是这样吗？

Schurig：是的。

EE Times：甚至可能得到实际应用。例如，为什么不把这些设备应用于隐形一个间谍卫星，以防止雷达发现呢？

Schurig：绝对能做到。躲避雷达侦测是超物质在适当频率范围上的一个应用。可以确定的是，躲避可见光预计是10年后的事情，但使用隐形组件来躲避雷达侦测很快就能实现。

EE Times：就你们在微波范围的初始实验来说，你们打算隐形的物体体积有多大？

Schurig：我们的测量装置只针对测量几十公分的东西而设计。

EE Times：你们预期何时可完成？

Schurig：由于事情进展得相当顺利，我们预期将在不到一年的时间内就可推出一些成果。

EE Times：请您为对于隐形实验感兴趣的电子工程师提供一点建议？

Schurig：这项实验的主要设计过程必须回归到基本的电路模型。电子工程师们在学校所学的电路模型是非常有帮助的，因为我们必须反复地使用这些模型来设计超物质。纯粹从直觉出发，当你考虑到一个超物质开环谐振器时，你就会想到改变影响着谐振器频率的开环电感和电容器，以便改变谐振器的特性。

EE Times：尽管它应用在一个不同尺寸的规模上，但您为这象征着基本电子工程技能的复兴吗？

Schurig：我们是这样认为的。我们大部份的人都是物理学家，但我们却一直使用着电子工程学的基本电路模型。事实上，我们全部都在杜克大学的电子工程学系中进行这些工作。

EE Times：在完成这些微波电路板级的电路原理实验后，你们是否期望这些结构能转移到微机电系统发展？

Schurig：是的，我认为未来的10年该领域就朝此发展，并使其发展到奈米级能够让隐形组件在可见光的频率范围内发挥作用。

EE Times：隐形效果总是局限在具有一定频率范围的频宽内。有没有什么方法可以使用三个平行系统，例如RGB，而使得隐形组件能在整个可见光范围上奏效呢？

Schurig：是的，这是可能的，或者说一个单一系统也能动态调节。在这方面工程师就能够施展各种技巧。如果电子工程师对于这些隐形组件感兴趣的话，那么我建议他们现在就开始学习超物质；这是一种可实现隐形组件的新技术。

David Schurig简介 现为杜克大学博士后研究员 曾任加州大学圣地亚哥分校(UCSD)博士后研究员、Tristan Technologies公司物理研究员
美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)物理学博士