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隱身術，在各種影視作品中，一直是一個經常出現的科幻想法。無論是《葫蘆兄弟》中的六娃，《神奇四俠》中的隱形女，還是“哈利·波特”系列小說中的隱身斗篷。

經典橋段常常是這樣：某個奇異博士或者瘋狂科學家，在實驗室中突然開發了一種特效藥水，喝下去之后身體“溶解”了，變得像空氣一樣透明，但是衣服卻沒辦法隱身，于是出現了帽子外套漂浮在空中的詭異場景。

那么讓人腦洞大開的隱身術

在技術上真的可以實現嗎？

1

光線折射與圖像的失真

首先從光的折射說起。我們雙眼可以看到一個物體，是因為物體本身可以發光，或者反射了太陽光和 LED 燈等光源發出的光，無論哪種方式，最終來自物體的光線傳播到了人眼并被感知，而在同一種均勻介質中，光是近似沿直線傳播的，觀看者會沿著視平線方向看到某一遠近距離外的物體。

但如果光穿越兩種不同介質，比如水和空氣，情況就不再那么簡單。光在空氣中和水中傳播速度是不同的，在空氣中較快，接近于每秒 30 萬公里，而在水中則相對較慢，就好比一個是高鐵，另外一個是綠皮火車。

在圖 1 中，來自水中的一條魚的光線，本可以沿著直線（A-B-C）從水下一路筆直地穿越水和空氣的交界面到達人眼。但是光的世界也“很內卷”，總是要以最節省時間的路徑從起點到達終點，于是會選擇另一條路線（A-D-C），在水中的“綠皮火車”行程縮短（AD<AB），在空氣中的“高鐵”行程變長（DC>BC），但畢竟“高鐵”快很多，花費的總時間還是變短了，就以這樣一種方式，光線被“掰彎了”，稱為光的折射。

由于水的折射率比空氣更大，水被稱為光密介質，空氣被稱為光疏介質，而觀看者本能上還是覺著光線是直線傳播過來的，看到魚的圖像在實際位置 A 上方的 A’，所以漁夫用魚叉捕魚時一定要朝著所看到圖像位置的下方刺過去。

圖1：水與空氣介質之間光的折射（左）和全反射（右）圖源：Light科普坊/Veer

而如果魚恰好位于水中比較隱蔽的位置，來自魚的光線與水面夾角足夠小，光線像照到一面鏡子上一樣，會發生全反射，無法折射到空氣中，相當于綠皮火車到站下車后，沒上高鐵卻又上了另一列綠皮火車。

由于光線像被困在了水中一樣，觀看者從一定角度完全看不到魚，而如果是一根筷子，下半段在水中，上半段暴露在空氣中，從上往下看是彎曲翹起來了，從側面看則是變成了錯位的兩截，這都是光折射“惹的禍”。

圖2：光折射下的“兩截錯位”鉛筆 圖源：Light科普坊/Veer

利用光折射巧妙改變光線的方向，可以實現各種不可思議的效果，比如下面這個硬幣穿過水瓶的魔術：

視頻1：硬幣穿過水瓶的魔術

魔術背后的秘密可以參考文末的另一段視頻。類似地，一張圖在水里也會莫名其妙地消失：

視頻2：消失在水中的圖片

這是由于來自紙卡片上圖像的光線要到達人眼，需要先后經過小包裝袋內的空氣，小包裝袋塑料外皮，水和外面空氣等多重介質，“過五關斬六將”的折射過程中，在其中任何一個交界面發生全反射，都會導致圖像消失在觀看者的視線之外。

這里還有一個特別的水箱，使用注射器注入或者吸走水箱對角線空間中的水，兩張不同的圖片可以“變臉”一樣地相互切換。笑臉可以變成哭臉，哭臉可以變成笑臉，紅藍臉譜之間也可以互相變來變去。

視頻3：一個可以讓你看到兩張圖片之間來回交替、變來變去的水箱裝置

如下圖所示，背后的“主謀”同樣是光的全反射。

圖3：當對角線空間中充滿空氣時，由于全反射，觀看者看到的是B圖；當對角線空間中充滿水時，由于光在均勻介質中直線傳播，觀看者看到的是A圖 圖源：作者繪制

而在文藝復興時期藝術大師達·芬奇的一副畫作中，所涉及的光折射問題也曾被熱烈討論。

下面這幅達·芬奇所創作的《救世主》中，救世主耶穌手捧著一個晶瑩剔透的透明球，表面看起來似乎“沒毛病”。不過細心觀察者的吐槽點在于，透明球后面的衣服褶皺理應因為光折射而錯位扭曲變形，可在畫中卻顯得如此的完好，令人費解。

圖4：被懷疑包含不合理光折射效果的達·芬奇名畫《救世主》圖源：Wikipedia

對此，還曾有光學專業人士正了八經地做過研究，動用了專門的光學仿真軟件，又是三維建模，又是光線追蹤，模擬了各種不同材質和厚度的實心與空心球體，以獲得折射后的成像結果，并與畫中效果做對比，還專門發表了一篇標題為“論《救世主》的光學精度”的論文。

最后結論是，要想獲得與畫中相似的效果，一定要使用空心球，并且空心球外壁材料的折射率為 1.51714，厚度為 1.3 毫米。作為比較，空氣的折射率是 1.0003，水的折射率是 1.3333，玻璃折射率是 1.5 左右，所以畫中應該是空心玻璃球。

可是那么薄的玻璃球在幾百年前有辦法加工出來嗎？即使制造出來也一定很容易碰碎，用手怎么拿呢？

當然也有人覺著這種死硬理性分析沒有意義，達·芬奇大師不是在對一個日常人物進行寫實創作，畫的是神圣的救世主耶穌，扭曲變形的衣服褶皺會表示出不敬重的態度，何況達·芬奇不僅是個畫家，還是個全才，對于包括光學在內的各種科學都有涉獵，不會不了解光的折射現象，也不會觀察不到平時真正玻璃球的圖像畸變，人家多半是有意而為之，并不是粗心大意犯了低級的光學錯誤。

不管怎樣，這幅畫作本身可是價值連城，2017 年 11 月曾在紐約佳士得拍賣出了高達 4.5 億美元的天價。

2

制造物體隱藏效果的光學裝置

回歸本文的正題“隱身術”，人眼能看到的物體，很多時候在于入射的光線照到物體表面之后，產生反射光進入人眼，如果入射的光線以適當的方式被折射，經過方向改變，恰好繞過了物體所占據的空間，觀看者就會感覺光線就是穿越空無一物的空間，直接到達人眼的，形成視覺上的隱身效果，這在光學上已經被證明是理論上可行的。

圖5：通過彎曲的光線繞過要隱藏的物體而實現隱身術：對于右側觀看者來說，光線繞過這個物體（左）和直接穿過空無一物的空間（右），實際視覺效果上并沒有區別

“工欲善其事，必先利其器”，為了在實驗中真正實現這樣的效果，需要求助于各種光學器件。

放大鏡，近視眼鏡，望遠鏡，顯微鏡中的鏡片都稱為透鏡，表面看起來一塊小小的圓形鏡片，功能卻很強大，通過利用空氣與玻璃兩種介質折射率不同而發生的光折射現象，可以控制光線的會聚和發散，還可以將圖像放大縮小和拉近推遠。

在以下這個由四片不同透鏡組成的光學系統中，通過擺放位置的合理設計，會使得第四片透鏡前方的觀看者產生視覺盲區，能看到第一片透鏡后面的背景物體，卻看不到盲區里的物體。當幾根手指插入到透鏡之間的視覺盲區時，觀看者并不會看到手指，只會看到背景的網格圖。

圖6：由四片透鏡組合而成具有視覺盲區（橙色區域）的隱身系統[5]

圖7：四透鏡隱身系統的觀看效果[5]

應該說，這只是一種透鏡視野內的隱身術，如果從透鏡之外觀看，一切都是暴露在眼皮底下的，盡管透鏡也可以做得更大。不僅如此，還要求觀看者要正對著透鏡看，如果斜著看也容易“穿幫”。

而透鏡不只有圓形的，還有圓柱狀的，不同于圓形透鏡可以偏折來自上下左右，四面八方的每條光線，柱狀透鏡把物體看作由一個個與它平行的線條組成，可以把整個線條折射到某個方向。如果把很多個細小的柱狀透鏡排成一個陣列，就成為一個柱狀微透鏡光柵。

柱狀微透鏡光柵也是控制光線方向的一把“好手”，比如不少人都見過的“二重畫”，一張特殊卡片從一個方向看是第一張照片，換另一個方向看就是完全不同的另一張照片，這就是因為卡片表面上覆蓋了一層柱狀微透鏡光柵，本來卡片上印著包含了兩個畫面的復合體，分解成的紅色豎條部分和綠色豎條部分可以被光柵分別投射到兩個不同方向，各自合成一張不同照片，而如果這兩個方向恰好對應人的左眼和右眼，分別投射出左右眼對應視角的畫面，還可以無需佩戴眼鏡，實現裸眼立體顯示。

圖8：可以將光線折射到左右眼兩個不同方向的柱狀微透鏡光柵 圖源：Wikipedia

除了二重畫和裸眼立體顯示之外，柱狀微透鏡光柵也可以秀一把隱身術，這源于它對于“胖子”和“瘦子”的“歧視”對待。對于光柵后面一個平行方向的物體，如果是"瘦麻桿"，光線就容易被折射到觀看者視野之外，被隱匿起來，而如果“心寬體胖”，則還會有大量光線進入觀看者視野，看起來并沒有消失。

圖9：柱狀微透鏡光柵對于不同寬度物體的光折射效應 圖源：作者繪制

下面的這條細長的筷子就神秘地消失了一截，但是背后的橫向條紋就安然無恙（由于縱向來看其實寬度很大）。當然光柵的擺放方向一定不能出錯，筷子要與每條柱狀微透鏡方向是接近平行的。

視頻4：柱狀微透鏡光柵下消失的筷子

在此前網上一段爆款的視頻中，光學專家褚君浩院士在一個晚會上，現場展示了雙腿在一塊神奇材料的遮擋下“消失”了，但身后舞臺背景的橫線條還可以清楚看到，所使用的也是這種柱狀微透鏡光柵。這一隱身方法的缺陷也很明顯，對于要隱藏的物體形狀的“高矮胖瘦”，是站著還是躺著，都有苛刻要求，只要“不達標”就會“露餡”，柱狀微透鏡光柵注定只能用于特定隱身場景。

褚君浩院士表演隱身術。圖片來源：嗶哩嗶哩

下面這件光學隱身裝置就要更為龐大：在一個大水池中，擺放了一個特殊的六棱柱形狀水缸，水缸里面只有最中心的“洞穴”中涌進了水，其余很多部分是空心的，里面只有空氣，而一個橫截面為六角星形狀的部分（下圖中深藍色）是實心的，由玻璃組成。

這樣一側的入射光要經過水、空氣和玻璃三種介質間光線折射，由于水缸特殊的幾何形狀，相當于可以繞過中心的圓柱水腔，另一側觀看者覺著這部分是消失了的。水中一條魚只要游進水腔洞口里，就會變得無蹤無影，觀看者只會看到水缸背后透明的池水和綠油油的水草。

圖10：一個可以在水池中隱藏魚兒的六棱柱光學裝置[7]

而類似的“六邊形城堡”也不必一定要建造在水下，也可以擺放在桌面上觀看。可以發現，原本被玻璃棱鏡包圍的金屬砝碼不見了，而背后的汽車模型卻仍然可以清晰地映入眼簾。

圖11：六邊形棱鏡光隱身裝置[4]

3

負折射率材料與真正隱身術的實現

以上各種光學隱身裝置雖然可以提供一定程度上的物體消失效果，但與大家心目中所期待的真正隱身衣還是有不小的差距，而近年來興起的負折射率材料概念，點燃了隱身術的新希望。

天然材料一般折射率都是大于 1 的，假設水的折射率是負的，那么你會看到水中魚的圖像漂浮在水面之上的空氣中。相比于這種海市蜃樓的效果，更重要的是，這種材料作為一種理想的選擇，可以像衣服一樣地將要隱藏的物體包裹在其中，實現上文所說的彎曲光線和繞過隱形物體的設想。既然自然界沒有這種材料，研究者將目光投向了使用納米技術來人工合成。

舉世聞名的大英博物館中陳列著一件神奇的玻璃高腳杯藝術品，稱為盧奇格斯杯，由 1600 年前的古羅馬人所制造。這件藝術品的奇特之處在于，當光線從前方照射時，杯子呈現綠色，從后方照射時，杯子呈現紅色。研究者發現，這種“變色龍”效果是因為玻璃中溶入了金、銀金屬微粒，顆粒直徑大約只有 50 納米。盡管當時的古人還不了解什么是納米材料，但在反復實際嘗試中，已經不經意間涉足了這項技術。類似地，在世界多地，一些歷史悠久的大教堂窗戶上顏色鮮艷的彩繪圖案中，也使用到了玻璃中摻雜納米顆粒的技術。

到了二十一世紀的今天，研究者已經可以更自由靈活地操縱各種不同種類的納米顆粒，就像玩俄羅斯方塊游戲，或者搭積木一樣，將它們擺放到不同位置，排列成不同結構，產生各種奇妙的物質特性，人工合成負折射率的新材料也成為了可能。

2015 年《科學》雜志上發表的一篇論文中，研究者使用銀、鎂等金屬的氟化物構成網狀材料，再將多孔氧化鋁生成的納米銀線穿插其中，合成的這種負折射率材料薄片，可以如期待般，像斗篷一樣隱藏住包裹的物體，距離負折射率材料隱身衣的夢想又更近了一步。

圖12：負折射率納米材料隱身斗篷的效果：有隱身斗篷覆蓋（左）和無隱身斗篷覆蓋（右）

從論文中展示的效果來看，這件隱身斗篷并不是浪得虛名，只是目前結果還是在顯微鏡下觀測的，隱身斗篷大小只有微米級別，比頭發絲還要細，而且需要嚴苛的實驗條件，還無法短期內在平時生活中應用。

那么光學上到底有沒有辦法實現隱身術呢？

一方面，制造出一個光學陷阱裝置，把物體擺放到視覺盲區中，通過“障眼法”讓物體從眼前消失，并不是難事，并且“條條大路通羅馬”，實驗室中各種常見的器件都可以作為工具；

另一方面，科幻想象中那種真正意義上的隱身衣，雖然理論上可行，但不容易真正加工制造出來，負折射率材料為研究者帶來了新希望，不過一時半會還難以出現在實際應用中。

視頻5：硬幣穿過水瓶魔術揭秘：硬幣一直在瓶中，但如果恰好在兩側的死角，會因為光折射而看不到

參考文獻

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策劃制作

來源丨Light科普坊/中國光學（id:ChineseOptics）

審核丨張杰 中國紡織建設規劃院總工程師

策劃丨符思佳

責編丨符思佳

審校丨徐來、林林