- 專欄
文章專區
2015-02-01哈利波特的隱形斗篷
542 期
Author 作者
劉宗平／中央大學光電所博士。1976年，進入中山科學研究院工作。1993年，進入元智大學服務，從事光電領域研究。
2006年5月，英國倫敦帝國學院物理系彭德里教授（J. B. Pendry）等人在Science期刊上發表題目為〈Controlling Electromagnetic Fields〉的研究成果。自此之後，開啟了變換光學（transformation optics）的新領域。他們聲稱，如能將媒質（medium）的電容率（介電函數）或磁導率設計成空間座標的函數，則可控制電磁波在該媒質內的行進路徑。利用此概念，製作成柱殼狀或球殼狀材料。當電磁波行經這種具有人造結構的超材料（metamaterials）時，會繞著內部殼狀區的外圍行進，如圖一所示。由於電磁波不能進入殼狀區的內部，所以電磁波無法檢測到放在殼狀區域內的物體。這樣的柱形或球形之殼狀區，即可扮演著哈利波特的神奇隱形斗篷（invisibility cloak）。
圖一：二維柱殼狀隱形斗篷。
英國奇幻小說家羅琳（J. K. Rowling）筆下的哈利波特，獲得一件父親留下的隱形斗篷。只要披上它，便會在瞬間憑空消失，讓人找不到。這件令人稱羨的神奇斗篷，現已由美國羅徹斯特大學郝威爾（J. C. Howell）教授的實驗室製造出來。2014年9月24日，NBC News報導〈科學家告訴你，如何做一件隱形斗篷〉。9月26日，洛杉磯時報〈紐約的科學家揭示了一種四透鏡隱形斗篷，其可媲美哈利波特的隱形斗篷〉。9月28日，蘋果日報的國際新聞〈三維型隱形斗篷不是夢，只要3000元就能做得到〉。9月29日，中時電子報的科技新聞〈哈利波特的隱形斗篷，科學家實現了〉。如今，全世界的新聞媒體，不斷地在報導這則令人興奮的科技新聞。
然而，「羅徹斯特斗篷」並非採用彭德里教授主張的超材料所製成，而是由四個透鏡組成的完美近軸式斗篷（perfect paraxial cloak）。郝威爾教授的博士生崔（Joseph S. Choi）解釋：「這是一項光學技術，靈感來自變換光學，建構這種空間型斗篷的方法很簡單。」只需採用四個透鏡和實驗室內的東西，就能造出完美的近軸式斗篷。把想要隱藏的東西，放進四透鏡系統中的斗篷區內，東西便會消失無蹤。四個透鏡都是市售的現品，其總價不超過美金30元。崔說：「這是第一次實現的三維型隱形斗篷，它可連續地、大視角地、各向同性地遮掩住一般的大型物體。在觀察隱藏物體的同時，背景是可移動的、實景呈現的，而且不會扭曲或改變。」
近軸光學
研究光的傳播及光與物質間的相互作用等行為之學科內涵，稱為光學。探討光學行為的途徑有四，它們是光線光學、波動光學、電磁光學及量子光學，如圖二所示。不論是理論性或是實驗性的研究工作，均已證實光是電磁波中的一種，它具有波動的本性。......【更多內容請閱讀科學月刊第542期】