如果說,「隱形」是最熱門的科幻題材之一,相信並不過分,從1897年英國小說家H.G.威爾斯(H.G.Wells)發表《隱形人》(The Invisible Man),到J.K.羅琳(J.K.Rowling)《哈利波特》系列的「隱形斗篷」(invisibility cloak),繼續吸引着人們探索「隱形」的可能性。
「超材料」控制光線折射方向
香港大學外科學系狄比紀念講座(Digby Memorial Lecture)最近邀請港大校長張翔教授主講,題為「創造自然界不存在的物料:從隱形斗篷到超級透鏡成像」(Creating Material that Do Not Exist in Nature: From Invisibility Cloak to Super Lens Imaging)。
張翔在美國柏克萊加州大學任講座教授時,研發出一種「超材料」(metamaterial),它像一片片層層疊疊的立體「魚網」(fishnet),這種「超材料」可以控制光線折射的方向,令人在視覺上看到物件猶如透明,但物件背後的東西卻不受影響,因此俗稱「隱形斗篷」或「隱形盾」。這種納米物料在2008年曾獲《時代》(Time)雜誌列為十大科學發現之一。
張翔首先談到光的折射原理,我們最常見的是吸管放在盛水的玻璃杯內,吸管看起來折斷了。如果光的路徑反過來,這便「大件事」,因為這不是自然的現象,不存在這種折射材料。
水中游魚可以輕功水上飄?
「這裏有一個很重要的概念──折射率。什麼叫折射率?就是光進來,這裏是空氣、這裏是水,光進來要折射,吸管插進水中,我們看到的是斷掉的,這是一個光學的效應,就是光從空氣進來折射了,但因為空氣和水的折射率不一樣,也就是兩者密度不同,因此吸管看起來便像斷掉一樣。」張翔說:「但是,任何自然界材料的折射率都是正的,愛因斯坦講過,光傳播的速度在任何介質,包括空氣、水、玻璃裏都要比在空氣慢,所以造成了正折射率現象。但我們想一想,這個速度能不能是負的?愛因斯坦也說這個必須是正的,因為自然界裏沒有負折射的材料,因此,我們在2008年發表了一篇發現了負折射率材料的文章。」
他接着說:「負的折射率會有什麼現象?如果你看水中的魚,因為正折射率的關係,你看到魚的會淺色一點,這沒關係,無論深淺色,魚都在水裏,如果這水變成負折射率,這魚看上去就會是倒過來在空中游。」
基於這種想法,張翔和他的團隊用用超材料,也就是用人造的原子來實現這個現象,他說:「我們賦予人造原子不同的性質,就原子來說,是沒有限制的。」
從實際到虛擬空間的變化
他指出,負折射率材料有兩大應用範疇,一是能突破衍射極限,就是本來看不到的東西,現在能看到;另一剛好相反,是本來能看到的東西,現在看不到了。
以隱形斗篷為例,它的原理是什麼呢?所謂「隱形」,實際上是光波從左邊進來,穿過隱形斗篷從右邊出去,因此我們便看不到了。「打個比方,一條流動的河流中間有塊大石頭,水流過石頭的時候,你在下游會看到水波和湍流,但如果我在旁邊造一個東西,讓水順着這個東西流過去,你在下游便看不到水流過石頭,就會認為那塊石頭不存在了。」
「當然,你要使石頭看不到,不是一件容易的事,也就是說,光波的傳播有一定要求,因為空氣是最小的,折射率是1,在自然界沒有比空氣再小了,要做到隱身功能,材料的折射率要小於1,使它跑得快,這裏面還有很多數學難題要解決,但我們根據這個理論可以設計一個地氈隱身術。比如地下鋪一塊地氈,地氈鋪不好的話,中間會有一個折,如果這個折夠大,便會像鼓出來一個空間,也就是說,這個空間本來是個均勻的空間,我在這個地方挖一個洞,把旁邊擠一擠,擠出一個空間,擠出來後,邊上按照我們的想法做一個裝置讓光線繞過去。」
按照張翔校長的說法,這個讓光線繞過去的裝置就是所謂「隱形斗篷」,這樣,地氈看上去就是平的,「怎麼來做這件事?也就是說一個是實際空間,另一個是虛擬空間,我要從實際空間到虛擬空間做個數學變化,這個數學變化要求我在這上面罩一件隱形斗篷,罩在這個凸出來的東西上面,這要根據數學的變化來設計,折射率必須是這樣的變化,才能保證光進來以後,人們看到這光反射出來是一塊平坦的地氈。」
張翔還分享了一則趣事,就是論文發表之後,「我兒子說:爸爸,你這個東西不好,我要是戴在頭上去銀行打劫的話,一個這麼大的東西,人還沒到,這個東西先給人碰到了,最好像戴一個真正的頭套那樣」。
事實上,張翔校長認為,「隱形」科技在未來最大的作用,可以是早期癌症的檢測、早期地震的預防、擴增實境、節能減碳的環保項目等等。即用這種「超材料」造成「超級透鏡」(super lens),在不必開刀的情況下成像,或掃描地表發現異常現象,從而讓癌症盡早被發現、讓地震盡早可以預防。
聽了張翔校長的演講,讓我們了解到,科學家並不是只會埋頭苦幹的「宅男」,科學家可以把科幻小說和電影中的情節變成現實。說不定有一天我們可以用「隱形」科技檢查身體,好過照X光或做檢磁共振?
狄比紀念講座 港大外科學系年度盛事
走筆至此,順便談談張翔校長演講的「狄比紀念講座」,根據港大李嘉誠醫學院院長梁卓偉教授著《大醫精誠──香港醫學發展一百三十年》一書記載,1915年,年方31 歲的狄比醫生(Dr. Kenelm Hutchinson Digby)出任港大醫學院院長,是學院史上最年輕的院長。他早年在倫敦獲授皇家外科學院院士,卻應港大邀請擔任解剖學教授,一個人擔起整個部門的教學、行政、發展等多重職務。
1941 年12 月香港淪陷,日軍曾表示可以給狄比自由,條件是他必須合作,但他斷然拒絕,寧願被囚赤柱拘留營。營內傳染病十分猖獗,幸有狄比和一些醫護人員,自發在簡陋的條件下成立醫院及手術室,才避免了更多傷亡。雖然失去自由,他與一班港大同事依然定期在營內召開校務會議,為戰後港大復課作準備。戰後健康受損的他,告別工作超過30年的港大,回國後他還不斷寫信向英國政府申請援助,幫助港大重建。
港大外科學系於1969 年開設狄比紀念講座,歷年邀請各界典範人物主講,乃全城年度盛事。
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