隐身术，在各种影视作品中，一直是一个经常出现的科幻想法。无论是《葫芦兄弟》中的六娃，《神奇四侠》中的隐形女，还是“哈利·波特”系列小说中的隐身斗篷。

经典桥段常常是这样：某个奇异博士或者疯狂科学家，在实验室中突然开发了一种特效药水，喝下去之后身体“溶解”了，变得像空气一样透明，但是衣服却没办法隐身，于是出现了帽子外套漂浮在空中的诡异场景。

那么让人脑洞大开的隐身术

在技术上真的可以实现吗？

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光线折射与图像的失真

首先从光的折射说起。我们双眼可以看到一个物体，是因为物体本身可以发光，或者反射了太阳光和 LED 灯等光源发出的光，无论哪种方式，最终来自物体的光线传播到了人眼并被感知，而在同一种均匀介质中，光是近似沿直线传播的，观看者会沿着视平线方向看到某一远近距离外的物体。

但如果光穿越两种不同介质，比如水和空气，情况就不再那么简单。光在空气中和水中传播速度是不同的，在空气中较快，接近于每秒 30 万公里，而在水中则相对较慢，就好比一个是高铁，另外一个是绿皮火车。

在图 1 中，来自水中的一条鱼的光线，本可以沿着直线（A-B-C）从水下一路笔直地穿越水和空气的交界面到达人眼。但是光的世界也“很内卷”，总是要以最节省时间的路径从起点到达终点，于是会选择另一条路线（A-D-C），在水中的“绿皮火车”行程缩短（AD<AB），在空气中的“高铁”行程变长（DC>BC），但毕竟“高铁”快很多，花费的总时间还是变短了，就以这样一种方式，光线被“掰弯了”，称为光的折射。

由于水的折射率比空气更大，水被称为光密介质，空气被称为光疏介质，而观看者本能上还是觉着光线是直线传播过来的，看到鱼的图像在实际位置 A 上方的 A’，所以渔夫用鱼叉捕鱼时一定要朝着所看到图像位置的下方刺过去。

图1：水与空气介质之间光的折射（左）和全反射（右）图源：Light科普坊/Veer

而如果鱼恰好位于水中比较隐蔽的位置，来自鱼的光线与水面夹角足够小，光线像照到一面镜子上一样，会发生全反射，无法折射到空气中，相当于绿皮火车到站下车后，没上高铁却又上了另一列绿皮火车。

由于光线像被困在了水中一样，观看者从一定角度完全看不到鱼，而如果是一根筷子，下半段在水中，上半段暴露在空气中，从上往下看是弯曲翘起来了，从侧面看则是变成了错位的两截，这都是光折射“惹的祸”。

图2：光折射下的“两截错位”铅笔 图源：Light科普坊/Veer

利用光折射巧妙改变光线的方向，可以实现各种不可思议的效果，比如下面这个硬币穿过水瓶的魔术：

视频1：硬币穿过水瓶的魔术

魔术背后的秘密可以参考文末的另一段视频。类似地，一张图在水里也会莫名其妙地消失：

视频2：消失在水中的图片

这是由于来自纸卡片上图像的光线要到达人眼，需要先后经过小包装袋内的空气，小包装袋塑料外皮，水和外面空气等多重介质，“过五关斩六将”的折射过程中，在其中任何一个交界面发生全反射，都会导致图像消失在观看者的视线之外。

这里还有一个特别的水箱，使用注射器注入或者吸走水箱对角线空间中的水，两张不同的图片可以“变脸”一样地相互切换。笑脸可以变成哭脸，哭脸可以变成笑脸，红蓝脸谱之间也可以互相变来变去。

视频3：一个可以让你看到两张图片之间来回交替、变来变去的水箱装置

如下图所示，背后的“主谋”同样是光的全反射。

图3：当对角线空间中充满空气时，由于全反射，观看者看到的是B图；当对角线空间中充满水时，由于光在均匀介质中直线传播，观看者看到的是A图 图源：作者绘制

而在文艺复兴时期艺术大师达·芬奇的一副画作中，所涉及的光折射问题也曾被热烈讨论。

下面这幅达·芬奇所创作的《救世主》中，救世主耶稣手捧着一个晶莹剔透的透明球，表面看起来似乎“没毛病”。不过细心观察者的吐槽点在于，透明球后面的衣服褶皱理应因为光折射而错位扭曲变形，可在画中却显得如此的完好，令人费解。

图4：被怀疑包含不合理光折射效果的达·芬奇名画《救世主》图源：Wikipedia

对此，还曾有光学专业人士正了八经地做过研究，动用了专门的光学仿真软件，又是三维建模，又是光线追踪，模拟了各种不同材质和厚度的实心与空心球体，以获得折射后的成像结果，并与画中效果做对比，还专门发表了一篇标题为“论《救世主》的光学精度”的论文。

最后结论是，要想获得与画中相似的效果，一定要使用空心球，并且空心球外壁材料的折射率为 1.51714，厚度为 1.3 毫米。作为比较，空气的折射率是 1.0003，水的折射率是 1.3333，玻璃折射率是 1.5 左右，所以画中应该是空心玻璃球。

可是那么薄的玻璃球在几百年前有办法加工出来吗？即使制造出来也一定很容易碰碎，用手怎么拿呢？

当然也有人觉着这种死硬理性分析没有意义，达·芬奇大师不是在对一个日常人物进行写实创作，画的是神圣的救世主耶稣，扭曲变形的衣服褶皱会表示出不敬重的态度，何况达·芬奇不仅是个画家，还是个全才，对于包括光学在内的各种科学都有涉猎，不会不了解光的折射现象，也不会观察不到平时真正玻璃球的图像畸变，人家多半是有意而为之，并不是粗心大意犯了低级的光学错误。

不管怎样，这幅画作本身可是价值连城，2017 年 11 月曾在纽约佳士得拍卖出了高达 4.5 亿美元的天价。

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制造物体隐藏效果的光学装置

回归本文的正题“隐身术”，人眼能看到的物体，很多时候在于入射的光线照到物体表面之后，产生反射光进入人眼，如果入射的光线以适当的方式被折射，经过方向改变，恰好绕过了物体所占据的空间，观看者就会感觉光线就是穿越空无一物的空间，直接到达人眼的，形成视觉上的隐身效果，这在光学上已经被证明是理论上可行的。

图5：通过弯曲的光线绕过要隐藏的物体而实现隐身术：对于右侧观看者来说，光线绕过这个物体（左）和直接穿过空无一物的空间（右），实际视觉效果上并没有区别

“工欲善其事，必先利其器”，为了在实验中真正实现这样的效果，需要求助于各种光学器件。

放大镜，近视眼镜，望远镜，显微镜中的镜片都称为透镜，表面看起来一块小小的圆形镜片，功能却很强大，通过利用空气与玻璃两种介质折射率不同而发生的光折射现象，可以控制光线的会聚和发散，还可以将图像放大缩小和拉近推远。

在以下这个由四片不同透镜组成的光学系统中，通过摆放位置的合理设计，会使得第四片透镜前方的观看者产生视觉盲区，能看到第一片透镜后面的背景物体，却看不到盲区里的物体。当几根手指插入到透镜之间的视觉盲区时，观看者并不会看到手指，只会看到背景的网格图。

图6：由四片透镜组合而成具有视觉盲区（橙色区域）的隐身系统[5]

图7：四透镜隐身系统的观看效果[5]

应该说，这只是一种透镜视野内的隐身术，如果从透镜之外观看，一切都是暴露在眼皮底下的，尽管透镜也可以做得更大。不仅如此，还要求观看者要正对着透镜看，如果斜着看也容易“穿帮”。

而透镜不只有圆形的，还有圆柱状的，不同于圆形透镜可以偏折来自上下左右，四面八方的每条光线，柱状透镜把物体看作由一个个与它平行的线条组成，可以把整个线条折射到某个方向。如果把很多个细小的柱状透镜排成一个阵列，就成为一个柱状微透镜光栅。

柱状微透镜光栅也是控制光线方向的一把“好手”，比如不少人都见过的“二重画”，一张特殊卡片从一个方向看是第一张照片，换另一个方向看就是完全不同的另一张照片，这就是因为卡片表面上覆盖了一层柱状微透镜光栅，本来卡片上印着包含了两个画面的复合体，分解成的红色竖条部分和绿色竖条部分可以被光栅分别投射到两个不同方向，各自合成一张不同照片，而如果这两个方向恰好对应人的左眼和右眼，分别投射出左右眼对应视角的画面，还可以无需佩戴眼镜，实现裸眼立体显示。

图8：可以将光线折射到左右眼两个不同方向的柱状微透镜光栅 图源：Wikipedia

除了二重画和裸眼立体显示之外，柱状微透镜光栅也可以秀一把隐身术，这源于它对于“胖子”和“瘦子”的“歧视”对待。对于光栅后面一个平行方向的物体，如果是"瘦麻杆"，光线就容易被折射到观看者视野之外，被隐匿起来，而如果“心宽体胖”，则还会有大量光线进入观看者视野，看起来并没有消失。

图9：柱状微透镜光栅对于不同宽度物体的光折射效应 图源：作者绘制

下面的这条细长的筷子就神秘地消失了一截，但是背后的横向条纹就安然无恙（由于纵向来看其实宽度很大）。当然光栅的摆放方向一定不能出错，筷子要与每条柱状微透镜方向是接近平行的。

视频4：柱状微透镜光栅下消失的筷子

在此前网上一段爆款的视频中，光学专家褚君浩院士在一个晚会上，现场展示了双腿在一块神奇材料的遮挡下“消失”了，但身后舞台背景的横线条还可以清楚看到，所使用的也是这种柱状微透镜光栅。这一隐身方法的缺陷也很明显，对于要隐藏的物体形状的“高矮胖瘦”，是站着还是躺着，都有苛刻要求，只要“不达标”就会“露馅”，柱状微透镜光栅注定只能用于特定隐身场景。

褚君浩院士表演隐身术。图片来源：哔哩哔哩

下面这件光学隐身装置就要更为庞大：在一个大水池中，摆放了一个特殊的六棱柱形状水缸，水缸里面只有最中心的“洞穴”中涌进了水，其余很多部分是空心的，里面只有空气，而一个横截面为六角星形状的部分（下图中深蓝色）是实心的，由玻璃组成。

这样一侧的入射光要经过水、空气和玻璃三种介质间光线折射，由于水缸特殊的几何形状，相当于可以绕过中心的圆柱水腔，另一侧观看者觉着这部分是消失了的。水中一条鱼只要游进水腔洞口里，就会变得无踪无影，观看者只会看到水缸背后透明的池水和绿油油的水草。

图10：一个可以在水池中隐藏鱼儿的六棱柱光学装置[7]

而类似的“六边形城堡”也不必一定要建造在水下，也可以摆放在桌面上观看。可以发现，原本被玻璃棱镜包围的金属砝码不见了，而背后的汽车模型却仍然可以清晰地映入眼帘。

图11：六边形棱镜光隐身装置[4]

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负折射率材料与真正隐身术的实现

以上各种光学隐身装置虽然可以提供一定程度上的物体消失效果，但与大家心目中所期待的真正隐身衣还是有不小的差距，而近年来兴起的负折射率材料概念，点燃了隐身术的新希望。

天然材料一般折射率都是大于 1 的，假设水的折射率是负的，那么你会看到水中鱼的图像漂浮在水面之上的空气中。相比于这种海市蜃楼的效果，更重要的是，这种材料作为一种理想的选择，可以像衣服一样地将要隐藏的物体包裹在其中，实现上文所说的弯曲光线和绕过隐形物体的设想。既然自然界没有这种材料，研究者将目光投向了使用纳米技术来人工合成。

举世闻名的大英博物馆中陈列着一件神奇的玻璃高脚杯艺术品，称为卢奇格斯杯，由 1600 年前的古罗马人所制造。这件艺术品的奇特之处在于，当光线从前方照射时，杯子呈现绿色，从后方照射时，杯子呈现红色。研究者发现，这种“变色龙”效果是因为玻璃中溶入了金、银金属微粒，颗粒直径大约只有 50 纳米。尽管当时的古人还不了解什么是纳米材料，但在反复实际尝试中，已经不经意间涉足了这项技术。类似地，在世界多地，一些历史悠久的大教堂窗户上颜色鲜艳的彩绘图案中，也使用到了玻璃中掺杂纳米颗粒的技术。

到了二十一世纪的今天，研究者已经可以更自由灵活地操纵各种不同种类的纳米颗粒，就像玩俄罗斯方块游戏，或者搭积木一样，将它们摆放到不同位置，排列成不同结构，产生各种奇妙的物质特性，人工合成负折射率的新材料也成为了可能。

2015 年《科学》杂志上发表的一篇论文中，研究者使用银、镁等金属的氟化物构成网状材料，再将多孔氧化铝生成的纳米银线穿插其中，合成的这种负折射率材料薄片，可以如期待般，像斗篷一样隐藏住包裹的物体，距离负折射率材料隐身衣的梦想又更近了一步。

图12：负折射率纳米材料隐身斗篷的效果：有隐身斗篷覆盖（左）和无隐身斗篷覆盖（右）

从论文中展示的效果来看，这件隐身斗篷并不是浪得虚名，只是目前结果还是在显微镜下观测的，隐身斗篷大小只有微米级别，比头发丝还要细，而且需要严苛的实验条件，还无法短期内在平时生活中应用。

那么光学上到底有没有办法实现隐身术呢？

一方面，制造出一个光学陷阱装置，把物体摆放到视觉盲区中，通过“障眼法”让物体从眼前消失，并不是难事，并且“条条大路通罗马”，实验室中各种常见的器件都可以作为工具；

另一方面，科幻想象中那种真正意义上的隐身衣，虽然理论上可行，但不容易真正加工制造出来，负折射率材料为研究者带来了新希望，不过一时半会还难以出现在实际应用中。

视频5：硬币穿过水瓶魔术揭秘：硬币一直在瓶中，但如果恰好在两侧的死角，会因为光折射而看不到

参考文献

[1] A. Cho, High-Tech Materials Could Render Objects Invisible, Science 312, 1120-1120 (2006)

[2] M. Liang, M. T. Goodrich, and S. Zhao, On the Optical Accuracy of the Salvator Mundi, arXiv:1912.03416 (2019)

[3] J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Controlling Electromagnetic Fields, Science 312, 1780-1782 (2006)

[4] K.-T. Lee, C. Ji, H. Lizuka, and D. Banerjee; Optical cloaking and invisibility: From fiction toward a technological reality, J. Appl. Phys. 129 (23), 231101 (2021).

[5] J. S. Choi and John C. Howell, Paraxial ray optics cloaking, Opt. Express 22(24), 29465-29478 (2014)

[6] 苏诣博，王拴，曹峰，陈书湄，邓柏昌，柱状透镜阵列对物体隐形现象的探究，物理实验43(9)，22-28 (2023)

[7] H. Chen, B. Zheng, L. Shen, H. Wang, X. Zhang, N. I. Zheludev and B. Zhang, Ray-optics cloaking devices for large objects in incoherent natural light, Nat Commun 4, 2652 (2013).

[8] X. Ni, Z. J. Wong, M. Mrejen, Y. Wang and X. Zhang, An ultrathin invisibility skin cloak for visible light, Science 349, 1310-1314 (2015)

策划制作

来源丨Light科普坊/中国光学（id:ChineseOptics）

审核丨张杰 中国纺织建设规划院总工程师

策划丨符思佳

责编丨符思佳

审校丨徐来、林林

来源: 科普中国微信公众号