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本文发表于《科学画报》 2013 年第 8 期 (上海科学技术出版社出版)。

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地震波里的 “隐形衣”

- 卢昌海 -

本文是替《科学画报》撰写的专栏短文, 本站版本在若干人名和术语初次出现时注有英文。

小时候看《西游记》, 对孙悟空的隐身法印象颇深。 后来在英国作家威尔斯 (H. G. Wells) 的小说《隐形人》(The Invisible Man) 中看到了对隐身法的具体设想, 即通过使自己透明而隐身。 不过, 那透明倘是如玻璃那样的话, 将会对光线产生复杂的偏折, 从而起不到完全的隐身作用。 再后来, 或许是更富科技色彩之故, 能让人隐身的外部设备——比如隐形衣——受到了青睐, 就连《哈利·波特》(Harry Potter) 那样的玄幻小说都引进了所谓的隐身斗篷 (cloak of invisibility)。

但是, 像隐形衣那样的东西真有可能实现吗?

要回答这个问题, 必须知道我们是如何看到物体的。 简单地说, 我们是通过眼睛接收物体发射或反射的光线——确切地讲是可见光——而 “看” 到它们的。 由此不难推知, 物体隐形的条件是不能发射或反射光线。 但仅仅这样还不够, 因为那样的物体依然会因阻隔光线而投下影子, 并遮挡背后的东西, 这同样会暴露其存在。 因此, 隐形衣要想实现, 必须让光线毫无反射地绕行, 且在绕行之后要如未曾绕行过那样恢复前行, 以便不阻隔光线。

这是相当苛刻的要求, 无论天然还是传统加工的材料都无法满足。 传统上, 光学材料的性质取决于微观和宏观这两方面的结构, 其中微观结构决定了折射率等基本参数, 宏观结构 (比如形状) 则决定了对光线的具体影响 (比如会聚、 发散等)。 在这两方面中, 传统加工在宏观方面颇有水准, 在微观方面的能力却极为有限, 因此有很多东西无法实现, 隐形衣就是其中之一。

但是, 近年来人们找到了一个新的努力方向: 通过在小于光波波长、 但比原子分子大得多的尺度上操控材料结构来改变其性质。 这是一个介于上述微观与宏观之间的尺度。 对于可见光, 这一尺度约为几十纳米 (nm), 是今天的纳米技术在一定程度上已能操控的。 另一方面, 理论和实验研究均表明, 这一尺度上的结构能对光学材料的性质产生巨大影响, 由此加工而成的材料被称为超材料 (metamaterial), 它在光学中开启了一个全新领域。 在这一领域中, 隐形衣的实现变得大有可能了。 1996 年, 美国杜克大学 (Duke University) 和伦敦帝国学院 (Imperial College) 的科学家们在这方面迈出了重要的一步, 用超材料制成了一个在特定微波波段具有一定隐形功能的小器件。

但更重要的是, 超材料这一概念以及隐形衣这一应用并非只能针对光波, 而是对其它波也有一定的适用性。 这其中很受关注的一种波是地震波。 众所周知, 地震是一种 “大规模杀伤性” 灾害。 在地震的巨大破坏力中, 地震波乃是重要因素。 假如有一种 “隐形衣”, 能让建筑物在杀气腾腾的地震波里 “隐形”, 那岂不就是一种极好的抗震手段? 这个巧妙的想法引起了一些科学家的兴趣。 与光学隐形衣需要纳米技术不同, 地震波的波长是宏观的, 因此针对地震波的 “超材料” 或 “隐形衣” 可以通过宏观的结构——比如在建筑物周围建一些圆柱状的地下结构——来实现, 而且 “隐形” 也无需很严格, 只要能将地震波引开即可。

2009 年, 英国利物浦大学 (University of Liverpool) 的科学家用数值方法模拟了地震波里的 “隐形衣”, 并得到了正面的结果。 2013 年, 几位法国科学家将这类研究由理论及模拟转为了实验。 他们在一片冲积盆地上实际建造起了针对频率为 50 赫兹的地震波的 “隐形衣”。 这 “隐形衣” 的结构简单得出人意料, 只是以点阵方式排布的一系列直径约 0.3 米, 深约 5 米的垂直孔洞。 为了检验 “隐形衣” 的效果, 他们用人工方式产生了频率为 50 赫兹的地震波, 结果发现这种结构确实能阻止地震波接近建筑物。

不过, 这些结果无论是理论、 模拟还是实验, 距离真正地震——尤其是大地震——的考验还差得太远。 首先是这些 “隐形衣” 往往只对特定频率的地震波才最为有效, 而真正地震中的地震波频率是多种多样的。 其次, 像上述法国科学家所用的以点阵方式排布的孔洞在真正的大地震中本身就是不堪一击的东西, 这跟光学隐形衣中隐形衣本身不会被光线所破坏是完全不同的, 这些显然都有待于进一步的研究或改进。

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