第163章 未来科技

"那么，如何制造超材料呢？其原理是：用至少一种具有负磁导率的材料和至少一种具有负介电常数的材料，构建出特定的几何结构图案。通常，这些图案会以重复单元（称为  “单元结构”）的形式排列，并且每个单元结构的尺寸要小于它所作用的光的波长。从宏观层面来看，将具有负磁导率的材料与具有负介电常数的材料结合，就能得到一种具有负有效折射率的材料。"

"我们可以用你的  LED  电脑显示器屏幕来举例说明这一原理。虽然显示器屏幕本身并非超材料，但它能帮助我们理解许多材料的工作方式。LED  屏幕由大量像素组成，每个像素实际上是由红色、绿色和蓝色的  LED  元件组合而成。通过像控制一组小型彩色灯泡的亮灭那样，控制红色、绿色和蓝色  LED  元件的开关，一个能够产生几乎任何色调和亮度的像素就形成了。当我们从远处观察时，看到的就是此刻你正在观看的视频画面。你不会去关注每个像素具体的色调和亮度，更不会留意每个像素中各个  LED  元件的工作状态，你所关心的只是能够看到这些神奇的动态画面。而这样的画面，在几代人之前还只是人们的幻想，在更早的祖先眼中，甚至可能被视为近乎魔法般的存在。"

"你的近几代祖先可能了解彩色灯光和电灯开关，但他们完全无法想象如何将这些技术提升到制造  LED  屏幕所需的水平，也无法想象如何以足够快的速度控制这些元件，从而形成动态画面的视觉效果。超材料的原理与此类似：其单个组成元件的行为与我们所熟知的普通材料并无不同，但当这些元件与其他元件组合在一起形成整体时，超材料所表现出的特性就与传统材料大相径庭了。"

"在超材料中，单个元件需要被构建成特定的几何形状，且这些元件的尺寸要小于该材料所要操控的光、辐射或声音的波长。这就意味着，直到最近，超材料的设计还只能用于操控无线电波和声波，而无法操控可见光。因为制造出能够与无线电波或声波的较长波长相匹配的元件要容易得多。微波是无线电波中波长最短的一种，其波长约为  1  毫米或更长，这比波长最长（约  1400  纳米）的近红外线还要长  7000  多倍。"

"制造出尺寸小于可见光（波长  390-700  纳米）甚至近红外线（波长  750  纳米  -  14  微米）波长的几何结构，是一项极具挑战性的任务。在这些光的波长范围内制造元件之所以困难，是因为原子的直径仅为  0.1-0.3  纳米，要在如此小的空间内构建元件，可容纳的原子数量非常有限。举个例子，我们通常认为人体生物细胞已经非常微小，但它们的直径通常有数千纳米，甚至更大，因此我们可以用显微镜借助可见光观察到它们。而超材料的单个单元结构需要小于数百纳米，也就是要小于光的波长。"

"不过，近几十年来，我们在微型制造领域已经取得了显著进步。现代处理器中的晶体管尺寸约为  14  纳米，这比我们能看到的最长波长的光（接近红外线的深红色光）还要小  50  倍，比我们能看到的最短波长的光（接近紫外线的蓝色和紫色光）还要小  30  倍。所以，如今我们已经能够制造出处于这一尺寸范围的元件了。但问题在于，在达到我们想要操控的光的波长尺寸之前，可供我们使用的材料非常有限，而且我们无法制造出均匀且完全相同的元件。"

"这并不是说制造可见光和红外线波段的超材料是不可能的，只是它们的制造难度要大得多。目前，我们已经有了一些相关实例，这些超材料通常是由两种差异极大的材料形成的极薄涂层构成，且涂层组合的厚度远小于光的波长。"

"首先，让我们来谈谈基于无线电波的超材料及其制造方法。这类超材料是我们目前了解最为透彻的，也是最早被研发出来的。正如前面所提到的，大多数天然材料的介电常数和磁导率均为正值，但也存在例外情况：铁氧体的介电常数为正，磁导率为负；而等离子体的介电常数为负，磁导率为正。"

"金属具有所谓的  “等离子体频率”，且这一频率低于光的频率范围。在高频情况下，金属的行为类似于等离子体。通常情况下，金属是良好的导体，但当频率高于其等离子体频率时，金属就会变成不良导体，电流无法正常产生。这会导致电磁波能够穿过金属，就像穿过有损耗的真空，而不是穿过固体物质一样。"

"如果我们制造出非常小的金属棒，就能让它们在特定的波长范围内表现出类似等离子体的特性，从而获得负介电常数；如果我们制造出小的铁氧体环，就能让它们在特定的波长范围内获得负磁导率。然而，这些材料单独使用时，并不能产生有用的负折射效果。只有当我们将金属棒和铁氧体环组合在一起时，神奇的效果才会出现  ——  我们得到了一个超材料单元。将大量这样的单元进行扩展排列，就能得到一种同时具有负磁导率、负介电常数和负折射率的材料。金属棒和铁氧体环单独存在时，都无法产生奇妙的负折射现象，但它们组合在一起后，就实现了这一效果。至此，我们制造出了第一种超材料。"

"那么，这种超材料能用来做什么呢？假设你想要将一束无线电波聚焦到接收器上。如果你使用一块传统材料制成的聚焦透镜，它反而会使无线电波更加分散；而如果使用一层超材料，情况则会完全相反。更棒的是，这种超材料可以被制成平面形态，却依然能够将无线电波集中到接收器上，这对于电子设备来说无疑是一大福音。我们实现了制造完美透镜的终极目标  ——  这种透镜能够聚焦辐射，且不需要通过改变透镜厚度来实现这一功能。我们对超材料结构的操控越精准，就能用它制造出适用于更短波长的透镜。"

"超材料还能实现其他有趣的功能。例如，假设你希望只有特定波长的无线电波能够进入接收器，以  Wi-Fi  的  2.4  吉赫兹频率（对应波长  12.5  厘米）为例，我们可以对超材料单元进行调节，使得这种超材料仅在  Wi-Fi  频率范围内起到完美透镜的作用，而其他频率的无线电波则会像遇到普通材料一样被散射或产生其他作用。这样一来，信号的信噪比会显著提高，我们就能获得更高效、更高质量的  Wi-Fi  信号。"

"我们还可以利用超材料实现一种名为  “反向多普勒效应”  的现象：通过改变超材料单元的几何结构，我们实际上可以补偿任何多普勒效应。如果你曾经听过车辆行驶时喇叭或警报器的声音，就会对多普勒效应有所体会  ——  当车辆向你靠近时，声音的音调会升高（我们称之为  “蓝移”）；当车辆远离你时，音调会降低（我们称之为  “红移”）。在天文学中，你也会接触到这一概念：当恒星向我们靠近时，其光谱会发生蓝移；当恒星远离我们时，光谱会发生红移。除了银河系及其最近的邻近星系中的恒星外，宇宙中所有恒星都在随着宇宙的膨胀而远离我们，因此它们的光谱都会发生红移。"

"对于高速飞行的航天器来说，多普勒效应是一个棘手的问题。因为根据接收器和发射器之间是相互靠近还是远离，传输的信号会发生蓝移或红移。多年来，如何补偿这种效应一直是美国国家航空航天局（NASA）面临的一大难题，需要使用昂贵的设备来应对这一现象。例如，在惠更斯号探测器进入土星卫星土卫六的大气层时，由于它与母船卡西尼号之间存在多普勒效应问题，我们险些无法获取探测器传回的数据。这一问题还导致惠更斯号探测器从卡西尼号上的部署时间推迟了四年。"

"然而，在未来，我们只需对超材料进行调节，就能逆转任何多普勒效应，让接收器能够接收到其设计时所设定的最佳工作频率的信号。这对于航天器本身也大有裨益，它能使航天器上的无线电设备更可靠、重量更轻且能效更高。"

"超材料的另一大出色特性是，它能够接收来自各个角度的无线电波，并将这些电波完美地聚焦到接收器上。这意味着我们不再需要反复调整接收器的角度来获取最佳信号。"

"鉴于超材料在军事领域的应用潜力，再结合我自身的军事背景，接下来我将通过一个军事场景的例子，更直观地展示超材料的优势。假设战场上有两名士兵，罗穆卢斯（Romulus）和瑞摩斯（Remus），罗穆卢斯使用的是传统技术装备，而瑞摩斯使用的是基于超材料的技术装备，他们的作战表现会有怎样的差异呢？"

"罗穆卢斯穿上了迷彩服，还在脸上涂了迷彩油彩，以打破自身外形的轮廓，尽量不被敌人轻易发现。但不幸的是，没有任何办法能真正隐藏他的红外信号，而且他远未达到真正  “隐形”  的状态。此外，穿上迷彩服、涂抹脸彩还花费了他宝贵的时间。"

"罗穆卢斯所在的部队正在向战场推进，但部队成员很难确定其他友军部队的位置，甚至连自己部队内部成员的位置都难以掌握。在现实中，友军误击事件时有发生，尤其是在成员之间无法相互看见的情况下。"

"经过一整天在战场上的艰难跋涉，罗穆卢斯所在的部队终于得到了休息的机会。他携带的电子设备需要依靠沉重的电池供电，因为这些设备的耗电量很大。于是，罗穆卢斯架起了太阳能电池板，试图为设备部分充电，同时还搭建了卫星上行链路，以便接收上级的命令。然而，搭建上行链路并非易事：需要将设备对准天空中卫星的方向，才能确保信号能够传输到卫星，而且能否成功建立连接全凭运气。过了好一会儿，他才成功与上级取得联系，获得了进一步的命令。"

"罗穆卢斯使用的通信设备经过了加密处理，以防止敌人窃听。但近来，他们的传输信号多次被敌人侦测并破解。为了应对这一问题，通信设备增加了加密模块，这却导致设备的耗电量大幅增加，传输速度也变慢了。因此，罗穆卢斯一直担心电池电量不足以支撑设备运行，或者设备收发信息的速度太慢，无法满足作战需求。尽管太阳能电池板在设备架设期间一直在工作，但电池的电量几乎没有得到明显补充，他开始担心剩余的电量可能无法让他完成此次任务。"

"随后，部队接到命令，要求侦察附近的敌方营地，并传回营地的图像。罗穆卢斯和战友们悄悄向敌方营地靠近，祈祷不被发现。他小心翼翼地用相机拍摄营地的画面，并试图放大营地中可能具有重要价值的区域。但由于相机镜头的限制，放大功能效果有限  ——  想要获得更高的分辨率，就需要更厚重、更庞大的镜头。"

"为了避免被敌方岗哨和狙击手发现，他们选择在夜间执行侦察任务，但这又带来了新的问题：相机镜头的夜视功能有限，为了拍摄到有用的图像，他们不得不冒险靠近敌方营地。结果，罗穆卢斯这一天的任务以糟糕的结局收场  ——  他的小队被敌人发现，不得不在敌人的火力掩护下仓促撤退。"

"之后，又过了好几个小时，罗穆卢斯才得以再次搭建起卫星上行链路，准备将拍摄到的画面传输给上级。但正如大家所熟知的  “墨菲定律”（凡事只要有可能出错，就一定会出错）——  这是战场上的首要法则，电子设备在战场上出现故障的概率更是加倍。果不其然，就在图像即将上传完成时，电池没电了。无奈之下，罗穆卢斯只能通过无线电向总部口头描述小队所观察到的情况，希望这些描述足够详细，能对上级制定决策有所帮助。"

"与之形成鲜明对比的是，瑞摩斯这一天的任务进展得非常顺利。他穿着一套基于超材料的红外隐身服，这套衣服能够将他身体散发的热量导向远离自身的方向。因此，当敌人使用红外夜视仪观察时，根本无法探测到他身上发出的热信号。此外，他还配备了最新的  “变色龙”  隐身服，这种衣服能够使光线绕过他的身体，让他在白天的可见光环境下也能实现隐形。与电影中的场景不同，这些超材料制成的装备非常坚固耐用，而且几乎不消耗电力。"

"瑞摩斯携带的超材料无线电收发器，能够让友军在战场上精准定位他所在小队成员的位置。因此，他随时都能掌握所有队员的动向，友军误击的可能性几乎为零。"

"虽然这一天的行军路程很长，但由于所使用的装备大多采用了超材料，这些装备的重量相对较轻。而且，与罗穆卢斯携带的传统装备相比，超材料装备的能效更高，耗电量更少，所以瑞摩斯携带的电池体积也小得多。不仅如此，他还可以利用超材料制成的太阳能电池板为设备快速、充分地充电  ——  这种太阳能电池板比罗穆卢斯使用的传统太阳能电池板更轻便、能效也更高。"

"借助超材料收发器，瑞摩斯无需花费时间搭建连接，就能迅速与卫星建立通信，将信号传输给卫星。事实上，上级部门一直通过这种方式实时监控着他的任务进展。"

"超材料还被应用于光电处理器的制造，这种处理器体积超小、能效极高，只需消耗极少的电力就能实时完成通信信号的加密和解密工作。我们很容易忽略这样一个事实：计算过程中的一大瓶颈在于翻转每个比特所需的能量以及由此产生的热量积累。在这方面，瑞摩斯的装备更具优势  ——  传统电子设备在热成像红外探测器上往往比人体更容易被识别出来，而瑞摩斯的超材料装备则很好地规避了这一问题。"

"不久后，瑞摩斯也接到了与罗穆卢斯相同的命令：侦察附近的敌方营地并传回图像。他使用超材料制成的相机拍摄营地画面，并对营地中可能具有重要价值的区域进行放大拍摄。由于这款相机配备了  “完美透镜”，其放大功能效果极佳，无论是在可见光波段还是红外波段，瑞摩斯都能在远离敌方营地的安全位置拍摄到所需的清晰图像。这使得他被敌人发现的风险大大降低，即便被发现，也能更轻松、安全地撤离。"

"为了获取敌方营地中设备散发的热信号图像，瑞摩斯选择在夜间行动。在“变色龙”隐身服和红外隐身服的双重保护下，敌方岗哨和狙击手根本无法发现他的踪迹。他将拍摄到的图像实时传输给上级，上级还要求他对营地中几个重点区域进一步放大拍摄，以获取更详细的信息。"

"瑞摩斯这一天的任务以圆满的结局告终：由于他的小队对敌人而言几乎是“隐形”的，他们得以顺利撤离，没有引起敌人的察觉。而罗穆卢斯的小队则在撤退过程中暴露了行踪，这使得敌人意识到自己的营地已被侦察，并随即调整了部署。"

"瑞摩斯和罗穆卢斯截然不同的任务结局，归根结底，正是源于瑞摩斯所使用的超材料技术带来的革命性变化。"

"不过，需要说明的是，这并不意味着超材料实现了“完美隐身”——实际上，目前仍有多种方法能够探测到瑞摩斯。但与罗穆卢斯相比，瑞摩斯的隐蔽性已经有了质的飞跃。而且，就像所有隐身技术一样，超材料隐身的核心目的在于降低在常规侦察手段下被发现的概率。"

"由此可见，超材料的一大重要应用领域（也是科学新闻中经常提及的）就是实现“变色龙效应”，即用于伪装和部分隐身功能。显然，各国军方都对这类应用表现出了浓厚的兴趣。此外，超材料还可用于防护领域，因为这类材料能够将光、电场或磁场从我们需要保护的物体周围引开，避免这些物体受到光、电场或磁场的影响，或者减少这些因素产生的干扰。"

"我们还看到了超材料在接收器领域的价值——例如，配备了超材料的接收器无需移动，就能追踪卫星信号。在更小的尺度上，超材料还能进一步提升无线设备的信号传输性能，这得益于它能够为特定频率或波长制造出“完美透镜”。此外，超材料还有可能应用于高速数据处理领域，未来我们或许会看到采用全超材料技术的手机，以及手机上配备的超材料摄像头。"

"如今，普通智能手机的摄像头已经比几十年前的任何相机都更小、分辨率更高，而超材料技术的应用将进一步提升手机摄像头的性能。超材料不仅能帮助我们制造出成像效果更好的镜头，还能实现一些传统镜头根本无法实现的功能。"

"我们都期望能在任何地方通过多种材料实现超高速宽带网络连接，而超材料技术不仅能让这一愿望更容易实现，还能大幅减小接收器的体积、降低其耗电量。正如光纤取代了铜缆一样，超材料未来也有可能取代光纤。正如前面所提到的，超材料还有望大幅提高太阳能发电的效率，同时减小太阳能设备的体积。"

"目前，便携设备面临的一大问题是充电便利性，而另一大问题则是电能存储。"

"尽管“隐形斗篷”是超材料最广为人知的应用，但它并非无懈可击。一个很明显的例子就是声音——“隐形斗篷”无法帮助你躲避蝙蝠的回声定位，也无法在与袋獾（Tasmanian  Devil）的搏斗中保护你。即便侦察小队能保持高度安静，他们仍有可能被脚步声产生的声波，或者被类似蝙蝠、鲸鱼、海豚的探测方式（即向某一区域发射声波并监听回声）所发现。"

"之前我也提到过，超材料不仅包括电磁超材料，还包括声超材料，二者的原理非常相似，而且声超材料的制造难度实际上还要略低一些。因为声波的波长范围很广：最高频率的声波波长约为几厘米，最低频率的声波波长则可达约20米，而可见光的波长单位则是纳米级。"

"显然，能够实现“声隐身”具有重要的实用价值，这不仅适用于侦察小队隐蔽行动，还可用于潜艇的声呐防护。坦克行驶时会产生巨大的噪音，高速公路上车辆行驶也会产生大量噪音，因此在城市地区的高速公路旁，我们不得不修建隔音墙。声超材料还为采石场、扬声器和麦克风的设计提供了新的可能，例如制造更薄的隔音材料等。因此，声超材料是超材料的一个重要类别，具有大量极具价值的应用场景。"

"此外，由于声波传播和热传导在传导机制上密切相关，声超材料在供暖和制冷领域也可能具有令人瞩目的应用前景。同时，我们也不应忘记，声波还可以用来移动物体——定向声波透镜未来或许能应用于制造现实版的“牵引光束”或“声波屏障”，不过需要注意的是，这类设备在太空中无法使用，因为它们需要空气或其他介质才能传播声波。"

"以上只是超材料潜在应用的一小部分。随着超材料技术的不断发展，我们相信未来还会涌现出更多新的应用思路。超材料对人类文明可能产生的影响，无论如何强调都不为过，而且我们目前也无法预见它所有可能的应用——就像最初研究半导体的人无法预见半导体的全部潜力，甚至那些将半导体制成晶体管的人也无法想象其后续的广泛应用一样。超材料很可能会成为我们未来生活的重要组成部分，并且有望在不久的将来，影响到我们家庭生活和个人生活的方方面面。"

"超材料并非遥远的未来科技，而是下一代的核心技术。其中，用于便携设备的轻型加密技术就是超材料的应用方向之一——随着科技的发展，这一应用的重要性将日益凸显。事实上，加密技术和隐私保护将是我们今年春夏季节重点探讨的话题之一。届时，我们将重新审视后稀缺文明，并探讨这类从表面上看似乎物质极大丰富、无所匮乏的文明所面临的一些真实挑战。"


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