人类是伟大而富于创造的生物，想象力是我们社会不断前进的源泉。从古至今，无数如童话般美好的“臆想”，经过几代人不懈努力成为现实。从登上月球到电脑网络，从核能发电到苹果手机，科学技术渗透到生活的每一个角落。便捷而丰富多彩的世界来源于人类对未来的美好憧憬，而科学是实现梦想的最好手段。千里眼、顺风耳已毫不稀奇，借助科学这一工具，每个人都可以拥有“神”的力量。
在漫漫历史长河中，有一种跨越千年仍为人类所觊觎的能力叫做隐身。最早的隐身概念基本属于光学领域，通俗来讲就是你能看见别人，然而他们看不见你。稍微学过一点物理的同学都知道光路可逆定律。你之所以能看到这个世界，主要是因为光照在物体上被反射后为你的眼睛所接收。光是沿直线传播的，因此你和你所看到的物体必然是一个线段的两个端点。这种对称性保证了光能入你眼也能入他眼。你看到了他，他也能看到你。
一叶障目与掩耳盗铃是我们从小听过的寓言故事。大抵是讲一个楚国人读《淮南子》，了解到螳螂捕蝉之前一般都藏于叶子后面借此隐形，于是找了一片树叶放在眼前，便认为自己已然遁形匿踪可以为所欲为。这可能是我国最早的关于隐形的记载。西方的炼金术也喜欢开发此种功能。比如法国炼金大师尼古拉斯声称自己炼制的贤者之石，不仅能点石成金，还兼具使服用者隐形的效用。林林总总许多记载，让隐形成为了某种强大且具有神秘主义色彩的能力，活跃于各类耳熟能详的影视作品中。
就在最近，研究表明隐形已不再是一个童话，可以通过科学手段实现。想象哈利波特中的隐身衣即将面世，实在让人感到振奋。2006年科学家莱因哈特和潘德利分别建立了不同的光学隐身衣理论[2][3]。其中莱因哈特的理论较为艰深，在此不做过多介绍，有兴趣的同学可以查阅有关书籍。潘德利的理论相比起来更加“物理”，因此为广大科研工作者所采用。
假设光在一个均匀介质中沿直线传播。让我们把空间想象成一个果冻。它很柔软，可以通过施加捏、挤、压等各种动作来使之形变。若光仍然在果冻内沿直线传播，但是由于其通过的介质扭曲形变，那么在我们看来这条直线也是扭曲的。假设我们使介质的扭曲不是如此随意，而是经过设计：可以使光按照我们的意愿行经一种特殊的线路，比如画一条弧线绕过我们想要观察的物体（光照不到物体，就不会发生反射。不反射眼睛就无法接收，接收不到就看不见，看不见就隐身了），那么隐身衣就制备成功了。
现在我们面临的问题是：坐标从规整的直角坐标系改变成扭曲的新坐标后，光传播的形式是否也会相应改变。如果光的行为方式不再是直线，那么前面的良苦设计就无用武之地。所幸的是，19世纪麦克斯韦提出的一套描述光的行为的电磁学方程组在坐标变换下具有不变形式。这就保证了我们设想的成功实施。所有波必须经由介质传播（光可以看作一种波），介质的性质分布将会影响其传播行为，比如海市蜃楼等现象就是由于空气密度分布不均匀导致的。对比均匀的分布被称为各向同性，这种不均匀的分布叫做各向异性。介质主要有两个参量会影响光的传播，一个叫介电常数，一个叫磁导率。一种导电材料放在电场中会被诱导出电荷，从而自身形成一个电场来削弱外场的影响。所谓介电常数就是这种削弱作用的量度。磁导率表征了物体磁性的大小。想要让光线弯折，可以根据我们希望隐身的物体所具有的不同形状，设计出一种介电常数和磁导率特殊分布的材料介质把物体包裹起来，就如同为它加装一件“隐身衣”。
这样的隐身衣该如何实现呢？2010年黄吉平老师提出了一种可行的方法（见图4．37．1）[4]。由于各向异性的材料很难直接制作，可以考虑先以某种材料作为载体，然后用不同形状、不同性质的纳米颗粒镶嵌到载体上。镶嵌颗粒的大小、几何形状、物理性质等因素通过有效介质理论可以决定整个复合材料的性质。通过这种手段，可以用不同的各向同性的材料合成一块各向异性的复合材料。由于镶嵌颗粒的可调控性，可以按照希望的性质分布来制作介质材料以实现隐身的效果。
科学家们并不局限于光学隐身衣的制作。对于电磁场作用下的光成立的物理规律可以推广到物理学的其他场作用下，比如声场、热场、扩散场等[5][6][7][8][9][10][11][12][13]。2008年，黄吉平老师的课题组率先将隐身衣的潘德利原理推广到热传导领域[14]。为了能让热流线绕过物体，需要扭曲热传导空间。对比电磁场中的介电常数和磁导率，热传导系数决定了热传导的规律。仿照电磁场的理论，通过改变热传导系数的分布，制造热传导性质各向异性的材料，可以得到热传导隐身衣的理论模型。之后哈佛大学的纳瑞亚那教授课题组制造出热隐身装置，从实验上验证了这一理论[15]。
除却上述操纵光的坐标变换方法外，我们还试图通过改变介质折射率的方式来调节光路。让光线从介质射出时的出射光与入射光在法线同一侧的现象被称为负折射[16]。我们利用可由磁场调控的软物质材料铁磁流体（一种由铁磁颗粒和水组成的混合物，外加磁场后颗粒会由随机的分散排列成链，从而导致系统的宏观性质发生改变）制造出负折射率可变的介质，从而拓展了光学调节的范围，为隐身衣提供了新的思路[17]。
制造完美的隐身衣虽然尚须时日，但已不再是梦想。该领域自2006年至今，方兴未艾，成果卓著。有很多国家的科研工作者投身于此，希望能够实现人类想要隐形的夙愿。待到隐身衣真正面世之后，必然掀起一场技术和文化上的革命，让我们一起期待这一天的到来。
[1]此文作者为沈翔瀛，撰写此文时是我课题组的硕士生。
[2]U．Leonhardt．Science，2006（312）：1777．
[3]J．B．Pendry，D．Schurig，D．R．Smith．Science，2006（312）：1780．。
[4]J．Y．Li，Y．Gao，J．P．Huang．J．Appl．Phys．，2010（108）：074504．(www.xing528.com)
[5]D．Schurig，J．B．Pendry，D．R．Smith．Opt．Express，2006（14）：9794．
[6]D．Schurig，J．J．Mock，B．J Justice，et al．．Science，2006（314）：977．
[7]U．Leonhardt，T．Tyc．Science，2009（323）：110．
[8]U．Leonhardt．New J．Phys．，2006（8）：118．
[9]H．Chen，B．Wu，B．Zhang，et al．．Phys．Rev．Lett．，2007（99）：063903．
[10]W．Cai，U．K．Chettiar，A．V．Kildishev，et al．．Nat．Photonics，2007（1）：224．
[11]Z．Ruan，M．Yan，C．W．Neff，M．Qiu．Phys．Rev．Lett．，2007（99）：113903．
[12]M．Yan，Z．Ruan，M．Qiu．Phys．Rev．Lett．，2007（99）：233901．
[13]H．Y．Chen，C．T．Chan．Appl．Phys．Lett．，2007（91）：183518．
[14]C．Z．Fan，Y．Gao，J．P．Huang．Appl．Phys．Lett．，2008（92）：251907．
[15]S．Narayana，Y．Sato．Phys．Rev．Lett．，2012（108）：214303．
[16]V．G．Veselago．Sov．Phys．Usp．，1968（10）：509．
⑫[17]Y．Gao，J．P．Huang，Y．M．Liu，et al．．Phys．Rev．Lett．，2010（104）：034501．
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