叮噹法寶物理原理大解構 [五] (The Physics Behind Doraemon Gadgets V)

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事隔大半年,最受大家歡迎(?)嘅《叮噹法寶物理原理大解構》系列終於返嚟啦!唔好意思要各位等咁耐,因為小弟近一年比較忙同開始「江郎才盡」,開始諗唔到咩嘢好嘅叮噹法寶題材去講 [sosad] PS: 其實最大原因係小弟懶 [自 :O) ] 點都好,今次繼續同大家探討吓叮噹法寶運作背後(可能)嘅物理原理 🙂

隱形斗篷(隠れマント)

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隱形技術呢種科技從來都係人類一直夢寐以求想開發同操控得到嘅其中一種,係唔少漫畫、科幻小說、電影都會有嘅題材,好似《Hollow Man 透明人魔》甚至係哈利波特咁。叮噹作為嚟自先進未來世界擁有過千件法寶嘅「萬能」家用機器人,當然都有可以實現隱形技術嘅法寶,嗰件法寶就係隱形斗篷。隱形斗篷係叮噹漫畫入面常見嘅法寶之一,又叫隱形披風、隱身斗蓬、隱形布、隱身布等。外形係一般嘅披風,用法好簡單,只要將披風蓋住物體件物體就會變透明,好似披喺身上面,身體就會變透明。不過必須要完全披住身體先會完全隱身,唔係嘅話會睇到冇蓋住披風嗰一部分身體。

咁究竟隱形斗篷呢類法寶或工具我哋身處嘅現實物理世界又有冇可能實現到呢?抑或隱形技術永遠都只會係人類嘅幻想呢?答案都幾肯定係有,而且呢種技術仲已經接近面世啦!

「違反常理」、擺脫自然世界限制嘅神奇「物質」— 超材料(The “Midas” touch -metamaterials)

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(Credits: xkcd, https://xkcd.com/1351/)

喺講物理上點實現隱身技術之前,小弟想首先講吓乜嘢係超材料(metamaterials),一個同實現隱身技術好有關係嘅新興材料科學研究範疇。超材料雖然叫「超」「材料」,但佢其實唔係咩新發現或新創造嘅神奇物料。佢其實係一種透過設計同組合物理結構去令材料實現出自然世界冇嘅特殊物理性質嘅人造材料統稱。嗰統稱雖然有啲誇張,但絕唔係好似「一國兩制」咁名不符實嘅大話,超材料的確配得上「超越天然」材料呢個稱呼。超材料背後原理就好似大家聽得比較多嘅化學或生物基因改造工程,科學家可以透過排列同組合唔同嘅化學元素原子或生物基因序列去因應需求改變化合物嘅特性或操縱有機體/改變細胞嘅遺傳物質,甚至係創造新嘅化合物或物種咁,超材料呢項技術唔同嘅只係佢係用物理手段,透過設計同改物理結構去創造「新」物料,例子有好似下面幅圖嘅磁性開口諧振環(split-ring resonator)

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(Credits: NASA Glenn Research, https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:Split-ring_resonator_array_10K_sq_nm.jpg)

話就話新興,但其實超材料呢種技術早喺幾十年前已經開始有人研究,概念甚至係始於19世紀未啲科學家希望研發出能操縱電磁波嘅人造物料呢個信念。呢項技術要去到近年先開始廣為人知同出現多方面應用只係因為之前工業技術未成熟,唔能夠好精確大規模咁打造尺寸小好精細複雜嘅結構,令唔少超材料概念停留喺理論階段。直至近年工業技術開始出現新突破,好似3D打印、納米科技(nanotechnology)呢啲技術逐漸成熟,超材料嘅研發先開始活躍起嚟同得到大幅度嘅改進,唔少理論同概念先得到實踐同驗證,尤其喺電磁波範疇。

超材料係乜? (What are metamaterials?)

超材料通常係指「超越」天然材料嘅人工材料,通常帶有週期性(periodic),擁有在自然世界唔易搵到或唔存在嘅物理特性/現象,好似負折射率或負有效慣性質量(effective inertial mass)咁,主要目標係操縱各種包括電磁波、聲波等嘅物理波,但理論上不只局限於波*。一般嚟講存在喺自然界嘅物料佢哋所展現出嘅物理性質係由組成佢嘅原子與分子結構決定,同物料本身係由乜嘢原子或分子組成冇乜太大關係。根據呢個原理,科學家可以藉住針對唔同波長嘅波去設計唔同尺寸、形狀嘅單元(unit cell)同改變佢哋嘅排列去組合有週期性嘅幾何結構物料,從而達致能夠整體咁操控唔同頻段嘅波嘅效果。呢個就係超材料背後嘅核心概念,同基因工程設計基因序列幾似。

*仲記唔記得根據波粒二像性其實所有嘢喺量子世界都有波嘅特性 🙂

超材料嘅大小通常比目標想控制嘅波長細好多,所以超材料雖然係由好多唔同嘅單元組成,但對有效目標頻段嘅波嚟講用超材料整嘅物件仍然可以被睇成一個整體,啲波係唔會「細分」倒每一個獨立單元同「睇」到每一個單位入面複雜嘅細微結構,唔會分辦到超材料本身係用咩物料整。就好似雖然日常生活中見到嘅物件係由原子組成,但因為眼睛同其他感觀嘅限制,單靠肉身我哋只會睇/感受到物件係一個整體而唔會見到一個個原子同分辦出佢哋嘅化學成分。所以只要物理結構一樣,超材料嘅物理特性都會大同小異,唔會受制於用咩材料整,呢個亦係超材料特別嘅地方同優勢。

隱形技術背後嘅物理原理(The physics behind invisible cloaking)

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上圖係超材料隱聲結構(acoustic cloaking device)例子
(Credits: Department of Electrical and Computer Engineering, Duke University, https://pratt.duke.edu/about/news/acoustic-cloaking-device-hides-objects-sound)

講咗咁耐超材料,咁究竟物理學上科學家點樣用嚟做到隱形嘅效果呢?答案就係設計出有負折射率(negative refractive index)嘅超材料去引導電磁波$繞過物體,俾佢哋喺物體嘅另一側出現,就好似穿過一個空無嘅空間,去達到令物體隱形嘅效果。負折射係指電磁波喺介質界面嗰度嘅折射方向同正常折射方向相反,即折射光線同入射光線位於法線(normal)同一邊嘅電動力學現象。

$光係一種電磁波

咩話負折射率?係呀,你冇聽錯。雖然喺自然世界絕大部分情況下物質嘅折射率只會係正數,即係折射光線同入射光線會分別喺法線嘅兩邊,而唔會喺埋同一邊,但透過設計出同時具備負介電常數ϵ(electric permittivity)同負磁導率μ(magnetic permeability)嘅超材料我哋係可以「違反常理」咁實現負折射呢個現象。通過負折射現象,科學家可以更有效咁控制同引導電磁波行走嘅方向從而最終達至隱形嘅效果,簡單原理講解可以睇下面幅圖同link。宜家喺微波同聲波範疇已經有人利用超材料實現到小規模嘅隱形技術[1,2]。

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https://futurism.com/engineering-discovery-brings-invisibility-closer-sci-fact/

除左隱形斗篷之外,超材料仲可以用嚟實現突破繞射極限嘅完美透鏡、高接收率天線、高效吸音物料,甚至係地震預警同更有效嘅抗震科技。PS: 超材料呢個範疇其實最近亦變咗小弟嘅研究同工作課題 :p

今次《叮噹法寶物理原理大解構》講到呢度,最後送個人幾鍾意兩首At17嘅歌去緬懷一下上禮拜剛去世嘅盧凱彤 RIP

https://youtu.be/838X4DZEnGQ

https://youtu.be/3AO9h2OORls

延伸閱讀:

[1] “Three-dimensional broadband omnidirectional acoustic ground cloak,” Zigoneanu L., Popa, B., Cummer, S.A. Nature Materials, March 9, 2014. DOI: 10.1038/NMAT3901

[2] https://pratt.duke.edu/about/news/first-demonstration-working-invisibility-cloak

[3]  《Metamaterials and the Science of Invisibility》by Prof John Pendry,TEDx talks,https://youtu.be/gjfYohXoiz0(英文)

[4]《超材料-光電物理》,黃家健著,刊於2014年8月《物理雙月刊》36卷4期

http://psroc.org.tw/Bimonth/images/uploafiles/files/物理雙月刊36-4_249-289.pdf

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