中國古代就有“隱身術”、“隱形衣”的傳說,而西方科學是否有這方面的研究呢?一些西方理論數(shù)學家最近宣布他們的新發(fā)現(xiàn)??闡釋“隱形衣”(invisibility cloak)的一項新型數(shù)學理論,幫助解釋如何能不被偵測到,能在手電筒的照射下、或手提電話的電波下“隱身”。
羅徹斯特大學(University of Rochester)的數(shù)學教授艾倫.格林里夫(Allan Greenleaf)與他的合作者推出一項新的數(shù)學理論,大膽預測隱形衣中發(fā)生了一些奇怪的事??這對隱形衣的功效有著關鍵作用。
去年十月,杜克大學(Duke University)電氣工程與計算機系助理教授戴維.史密斯(David R. Smith)領導一個專家小組,他們用一個圓形的遮蔽裝置(circular cloaking device)成功地使微波(microwaves)繞過了銅盤(copper disk),也就是說,這個銅盤在微波中就像隱形一樣。而2003年格林里夫和同事們已經(jīng)發(fā)展了隱形(invisibility)的數(shù)學理論。
格林里夫說∶這個理論研究可以“提高腫瘤檢測度”,“在一篇論文的最后,我們清楚闡明了腫瘤無法被檢測到的地方所發(fā)生的最壞情況。然后我們又發(fā)表了幾篇文章,來理論闡述這將在什么情況下發(fā)生。當時我們沒有進一步推想,腫瘤是不是被一些物質掩蓋從而難以被發(fā)現(xiàn)!
去年夏天,格林里夫和同事們閱讀了杜克大學和英國帝國理工學院(Imperial College)的研究人員在《科學》期刊上發(fā)表的論文,用幾乎同等的理論數(shù)學方程式推斷出“隱身”裝置(cloaking device)的理論。當格林里夫和同事們了解到他們的發(fā)現(xiàn)同樣可用于“躲避偵測”物體時,他們決定利用早先發(fā)展的數(shù)學技巧來分析和進一步推演“隱身”的數(shù)學理論。他們知道關鍵問題是:在遮蔽區(qū)域中到底發(fā)生了什么?
史密斯教授的論文解釋了“隱身”裝置如何運作。而作為數(shù)學家的格林里夫深知要發(fā)展“隱身”技術,充分了解其基礎數(shù)學原理是非常重要的。所以去年十月史密斯發(fā)表了另一篇論文,解釋他和工作小組是如何制造一個“隱身”裝置的,論文解釋了解“隱身”裝置基本內在構造的重要性。
格林里夫和合作者使用復雜的數(shù)學來推斷在“隱身”的區(qū)域內究竟發(fā)生了什么。以前他們在使用赫爾姆霉茲方程(Helmholtz equation,用于解釋光的前進))時沒有注意到問題,但這次當他們使用麥斯威爾方程式. (. Maxwell's Equations,用于電磁波理論),問題暴露出來了。
麥斯威爾方程認為一個簡單的銅盤被“隱身”是毫無問題的,但任何能發(fā)出電磁波的物體-手機、電子表甚至簡單的電器如手電筒??都能使“隱身”裝置嚴重出錯。數(shù)學理論推斷:當電磁場在“隱身”區(qū)域的表面趨于無限大( infinity)時,可能破壞“隱形”的功效。
他們的分析也揭示了另一個秘密:假如一個人試圖從隱形衣中向外看,可能會看到各個方位都像一面鏡子。想象一下哈利.波特的隱形衣以這種方式工作,當哈利打開手電筒向外看時,不管他朝向哪里,光線都會反射回到他身上。
格林里夫的工作小組斷定在運用麥斯威爾方程時將出現(xiàn)一種更復雜的現(xiàn)象,導致電磁場“爆炸”(blow up)。他們認為插入一層有傳導性的襯里(linings)就能解決這一問題。同時用相同材料仔細遮蓋住“隱身”區(qū)域的里外表面也能避免出現(xiàn)這一問題。
“我們也應了解到,以當前的技術來談論的隱形,只是在一個狹窄的波長范圍內的隱形。”格林里夫說!袄纾粋特定“隱身”裝置只能在紅色波段中隱形;在幾乎其它任何顏色中都無法進行隱形。”
史密斯的工作小組也在提高“隱身”裝置的技術。去年十二月六日,史密斯和格林里夫初次會面并談論了格林里夫的新型數(shù)學理論。
“艾倫把這一問題看得遠為廣泛,并推斷出真正的隱形是否可能實現(xiàn)。”史密斯說。
“我對他們的成果很感興趣! 格林里夫的合作者們包括赫爾辛基理工大學(Helsinki University of Technology)的數(shù)學教授麥迪.拉塞斯(Matti Lassas)、拉夫堡大學 (Loughborough University)的數(shù)學教授雅洛斯拉弗-科瑞萊夫(Yaroslav Kurylev)和華盛頓大學(University of Washington)的數(shù)學教授剛瑟.尤爾曼 (Gunther Uhlmann)。
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