打造國王的新衣 - 科普寫作網路平台

我們是否能夠逆轉童話故事，藉著可行的隱形原理、材料和技術，重新打造國王的「新 ... 上述傳統光學器材的缺點是裝置的有些部位無法隱形，但由超穎材料打造的隱形裝置 ... 首頁國立自然科學博物館官網國立自然科學博物館文教基金會相關聯結 徵稿介紹 最新消息 熱門文章 寫作技巧 線上徵稿 桂冠獎精選 2013年文章 2014年文章-1 2015專題入選文章 2014年文章-2 2015年文章 2016年文章 2017年文章 2018年文章 2019年文章 2020年文章 2021年文章 2022年文章 首頁 >熱門文章> 打造國王的新衣 熱門指數: 724 作者： hwh 中文名稱： 打造國王的新衣　  |第一版| 關鍵字： 隱形,invisibility,cloak   　　在安徒生的《國王的新衣》童話故事中，為國王打造新衣的織工宣稱他們所織的布料非常神奇，凡是愚蠢的人都看不見。

織工當然只是能言善道的詐騙集團成員，懂得利用人性的弱點來騙取人們（國王）的金錢，將原本就不存在的東西硬說成只有聰明的人才看得見，但若以另一個角度觀之，那布料對特定的對象而言（某些人、動物或偵測儀器等）是隱形的。

其實在現實世界中，許多生物的確擁有「隱形」的能力，而且人們也一直致力於隱形技術和裝置的開發。

我們是否能夠逆轉童話故事，藉著可行的隱形原理、材料和技術，重新打造國王的「新衣」，讓國王無需裸露上街遊行呢？ 圖一：物體的溫度只要大於絕對零度（零下273°C）就會發出電磁輻射（或稱為「熱」輻射）。

（圖片來源：筆者繪）   何謂隱形？ 　　談及隱形，許多人或許會聯想到電影中隱形人「完全消失」，存在卻又看不見的畫面，然而在實際應用上，「隱形」有著更廣泛的涵義。

物體會發出輻射，也能反射輻射。

物體的溫度只要大於絕對零度（零下273°C）就會發出電磁輻射（或稱為「熱」輻射），而且此輻射的波長範圍（光譜範圍）和強度會隨物體的溫度而變（圖一）；五千多度的太陽會發射紫外光、可見光和紅外線，二千度的瓦斯爐火焰會發出可見光和紅外線，而人體或其它溫度較低的物體只發出紅外線（夜晚的地球表面便是靠著熱輻射散熱而冷卻）。

眼睛看得見，因為周遭的物體反射照在其表面的可見光，而戴上夜視鏡也能看見黑暗中的物體（發出的紅外線），雷達則可偵測到被飛機反射回來的微波（雷達發出的）而「看見」飛機。

  　　因此，當物體發出、反射或散射的輻射（光線）無法被偵測到或感知到時，我們即可說物體具有隱形能力。

例如：對於走路時「沒看到」透明的落地玻璃門而一頭撞上的人而言，那玻璃門是隱形的，因為他們只看見玻璃門後面的背景。

此定義有別於理論上真正的隱形：物體不發射、不吸收也不反射輻射，能讓所有光線穿透過而顯現出背景，就像電影中穿上隱形衣的人。

隱形是被觀察者讓觀察者無法從背景中認出或偵測到其形體時的狀態，而且隱形能力會受到所處背景、觀察者的感知度或所用儀器的影響。

圖二：彎曲雙腿、靜止不動的竹節蟲，彷彿是小樹枝的一部分。

（圖片來源：筆者攝）   如何隱形？ 　　根據上述隱形的定義，可讓物體隱形的技術包括模仿、偽裝和光學設備的應用。

許多動物能夠模仿所處環境中不可食或無關緊要的物體，讓獵物或捕獵者無法察覺，就像隱形了一般。

例如：彎曲雙腿、靜止不動的竹節蟲，彷彿是小樹枝的一部分（圖二）。

圖三：岩雷鳥和五隻雛鳥的羽毛顏色使牠們幾乎隱形於岩石和植物中。

（圖片來源：PaxsonWoelber；使用許可：知識共享署名-類似方式3.0）   　　偽裝隱形則是利用材料、顏色或明暗來破壞物體在環境背景中所顯現出的輪廓，使物體融合於背景中，讓觀察者難以察覺。

例如：岩雷鳥羽毛的顏色使牠們幾乎隱形於岩石和植物中，讓捕獵者難以察覺大鳥身旁的五隻雛鳥（你能分辨別出幾隻呢？）（圖三）。

圖四：隱形裝置可控制光線傳播的方向，使光線繞過物體，沿著隱形裝置設定的方向前進。

（圖片來源：筆者繪）   　　由光學器材、光電元件或兩者共同組成的隱形裝置可控制光線傳播的方向，使光線繞過物體，沿著隱形裝置設定的方向前進，讓被物體遮住的背景得以顯現，達到使物體隱形的效果（圖四）。

可供使用的光學器材，從隨手可得的水、玻璃、鏡子和透鏡，到專門設計製作的超穎材料（metamaterials）和超穎介面（metasurfaces），種類眾多，使物體隱形的條件也各有不同（如觀察角度、光譜範圍、和物體大小的限制）。

圖五：各種由光學器材組成的隱形裝置。

（圖片來源：筆者繪）   　　例如：兩組直角的平面鏡能夠形成一個隱形區域，使背景的影像經過多次反射後，繞過物體而傳播（圖五a），這也是魔術師慣用的伎倆之一。

兩個裝水的直角形透明水箱也因光線的折射而產生隱形區域（圖五b）。

以上兩個裝置只能從正面觀察才會有明顯的隱形效果，而且背景也因扭曲而顯得失真。

由細小、長條的半圓柱狀透鏡排列而成的半透明薄片是另一種有趣的的隱形裝置，類似於「雙向圖卡上」的那片半透明塑膠，雖然擁有較寬廣的觀察角度，但其隱形效果受制於物體和背景的形狀（圖五c）。

  　　上述傳統光學器材的缺點是裝置的有些部位無法隱形，但由超穎材料打造的隱形裝置則可以克服此難題。

超穎材料是由許多量身訂製的小單元（好比是一塊樂高積木或是人造的原子），建構而成的物理性質不同於小單原的新材料，而超穎介面只是「薄薄的」、厚度可小於波長的超穎材料；我們可用不同幾何形狀的積木（小單元），根據所需，排列組合成各種不同用途（物理性質）的模型。

圖六：由幾乎不會散射光線的超穎介面和超穎材料組成的隱形裝置。

（圖片來源：筆者繪）   　　隱形裝置所用的超穎材料不僅要消除光線的散射（所以裝置本身能隱形），還要控制入射光線的傳播方向。

例如：圖六是一個由幾乎不會散射光線的超穎介面和超穎材料組成的隱形裝置：通過超穎介面的入射光線會以垂直的角度射入超穎材料，然後沿著超穎材料，從另一端以原來的方向再射出。

　　具有特定幾何結構的小單元的尺寸必須小於照射光線的波長，才能有效吸收光線，依照設計的角度，將光線幾乎能量無損地發射出，進而控制光線傳播的方向。

目前的超穎材料隱形裝置，只能應用於波長較長的微波照射下的巨觀物體，因為數毫米的小單元即可控制波長數公分的微波，比較容易製造。

相反地，因為可見光的波長只有數百奈米，由數十奈米的小單元組成的隱形超穎材料才能具有相同的功能。

設計「數十奈米小單元」（比如將金屬環置於介電質基板上），並將其排列、逐層合併成超穎材料的技術著實不易，尚未成熟。

  打造國王的新衣 　　隱形技術和方法甚多，哪一種最適合用來打造國的的「新衣」使其隱形？礙於國王的體形和耐性，「模仿隱形」想必無法實現，但是對於喜愛頻頻更換華麗衣裳的國王而言，「偽裝隱形」卻有很大的發揮空間：搭乘花車遊街時，國王可攜帶許多與衣服的顏色和花紋類似的背景看板，如此一來，就能隨意更換衣服與背景看板來達到隱形效果，媲美圖三中的岩雷鳥。

　　若使用由鏡子和透鏡等光學器材組成的隱形裝置，民眾將看到一個扭曲或模糊的隱形畫面，而可應用於可見光的隱形超穎材料的技術尚未成熟，否則由超穎介面打造的隱形衣會是最佳的選擇。

圖七：量測隱形能力。

（圖片來源：筆者繪）   量測隱形能力 　　假如國王命令大臣們選出隱形效果最棒的新衣，他們該如何判斷呢？隱形裝置可能使背景模糊、變形或改變透明度而影響隱形的整體效果，又每個人對模糊、變形和透明度的感知度（感受度）並不相同，因此，大臣們對同一個「隱形畫面」的評價也會隨之不同。

解決這「公說公有理，婆說婆有理」的辦法之一，就是比對「沒有物體和隱形裝置的背景」和「隱形後」的畫面，利用數學公式，平均計算畫面上每一點像素的灰色差異，兩個畫面越相似，表示隱形效果越好，計算值便越接近於一，這計算值便可作為大臣們判定隱形能力的指標（圖七）。

　　當然國王最後並沒有採納大臣們的任何建議，還是穿著自己最喜愛的「偽裝隱形新衣」，高高興興出宮遊行去，也快快樂樂地回了宮，沒有遭受到民眾們的譏笑。

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