隱形斗篷讓我變不見

THE MERIT TIMES

文／簡麗賢 2024-01-08

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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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