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探讨“人造电磁黑洞”的真实性

已有 2963 次阅读 2014-4-21 16:36 |个人分类:人造电磁黑洞|系统分类:论文交流|关键词:人造电磁黑洞| 人造电磁黑洞

                   探讨“人造电磁黑洞”的真实性 

                             都世民  

摘要:夲文主要探讨由人工电磁材料引出的“人造黑洞”、“魔术口袋”和“孙悟空七十二变”等相关学术问题。从微波专业角度探讨人造电磁黑洞的真实存在与否。

关键词:人工电磁材料,人造电磁黑洞,电磁场測量,远程隐身,微波天线,D.R.Smith。                                              

 

               .引言

2009年, D.R.Smith发表他的试验结果[1、2]以来,引起了不小的反响,他证明了人工电磁材料的負折射率,实际上也就是证明了人工电磁材料的存在。如今人工电磁材料的研究工作正向纵深发展,其应用范围也在不断扩大。 主要涉及固体物理、材料科学、光学、化学、应用电磁学、医学成像、微波天线和器件、纳米学科(包括纳米材料、加工、检测)和军事应用等。[3-10]

2008, 在东南大学召开了一次国际专题学术研讨会,是崔铁军等主持这次研讨会,会后崔铁军发表了“人造电磁黑洞”的科研成果,惊动了欧美和俄罗斯,其影响之大,非同一般。随着研究深入,由“光学变换”演变成“幻想光学”,将实际存在的人工电磁材料变成了看不见的影子,称之为远程隐身.[1112] 原先发表的隐身斗篷己经落后,因为隐身斗篷[7]是通过保角变换将待隐身的物体包围起来,然后让电磁波传播方向拐弯,这电磁波非常听“人工电磁材料”的话!

其实这保角变换就是处理奇异性问题,文章[13]在构建隐身斗篷问题时,对扩展式映射方法,在引入边界媒质参数极值时,出现奇异性问题。为此该文作者提出三种方法来进行保角变换。作者只给出仿真结果,无实测结果。而文章[11]的作者认为这种隐身概念就相当于孙悟空真的来到人间,有七十二种变化,其变化的依据就是幻想光学的理论。该作者认为无需将隐身器件包围待隐身物体,只要放在它旁边即可,也就是说,不必让电磁波传播方向拐弯, 即可实现真正意义上的隐身!这等于将隐身斗篷的成果向前推进了一大步,又上一个台阶。[14]

不难看出人工电磁材料的出现带来了两大科研成果:一是“人造电磁黑洞”[15-18],由东南大学崔铁军研究团队研制成功;二是香港科技大学物理系赖耘等实现的“孙悟空的七十二变”,从而实现真正隐身。这两大果实是惊世之举,是真的实现了还是科幻?或是根本不成立,值得探讨。

 

              .两篇文章的说法揭示什么?

第一篇文章发表在中国激光杂志社编辑出版Chinese Optics LettersCOL)《光电产品与资讯》网上.[19] 其题目是:“基于人工电磁材料的科技幻想”,文章的题目表明人造黑洞是科学幻想。它现在没有实现。该文未讨论这一看法的理由。

笔者问世”。周磊教授是参加2008年国际专题学术研讨会大会发言人之一。[20]

这两篇文章在不同程度上否定了人造黑洞的存在,这是针对光波而言。说这是科学幻想,是比较客观也是比较客气的说法。说是炒作是不客气的批评。笔者对光学没有研究,不对此作评论。但因研究者声称是在微波频段实现了“人造电磁黑洞”,这是真的实现了吗?那些专家审定的呢?东南大学学术委员会应该清楚此事,笔者下面提出一些疑问,希望引起业界关注。

 

              . D.R.Smith试验有什么问题?

D.R.Smith的试验给出了折射率结果,可以明显看出试验结果与分析结果在19.2l9.8GHz频带内是很不相符的,分析结果有一个很大的峰值,是负值方向。而实测值的峰值只有2.71。为什么会出现这样的问题,研究者如何解释?有两种可能:一种可能是等效参数法在谐振的频带内处理有问题;另一种可能是这种测试方法存在问题,因为研究者釆用标量网络分析仪测量外场信号,而不是测量内场信号。另外,如果这种方法是测量近场,应在电波暗室用近场测量仪自动测量;如果是测量远场,应该用方向图测试仪测出辐度和相位方向图,最好测出立体方向图。研究者在美国应该有条件测量出这些数据。我国有这样的进口測试设备,可以完成这些测试项目。Smith所作的测试早已落后,它已涉足微波天线和天线测量专业范围。他忽略了相位参数的测量和分析。如果改变收、发间距和被测件架设高度,他的测试结果还能重复吗?!笔者的科研实践认为这一结果不能重复。

从分析方法上看,在19GHz附近,应考虑物理光学分析法,不能单纯用几何光学法分析。从研究者们发表的文章看,都是假定平面波入射,这一假设条件显然是不够精确的。另外到目前为止,对人工电磁材料的分析大都未考虑单元间的耦合,以及层与层之间的耦合。

另外,测试结果的左图不光滑,有两个峰值,而右图是光滑的,产生这种现象的原因是什么?可能与相位有关,研究者应该给出相位方向图测试结果。在测试时应轴向和垂直地面方向移动被测件。覌测数据变化。

这个测试结果不完善的地方还有:从折射率由正值向負值转变时,对应的频率范围是从低于19GHz向大于19GHz变化,其中有折射率为零和负l,这是两个关键数据,为什么不给出幅度和相位方向图?到底会出现什么现象?现在“幻象光学”所做的变换就是想躲开这一区域。

在介电常数和磁导率为零时,会出现奇异性问题,这是数学问题,其物理意义如何解释呢?用保角变换将奇异性问题处理掉,可是物理意义如何解释呢?在这种情况下,求解麥克斯韦方程的边界条件还能满足吗?

有些论文推导波动方程时,先假定介电常数和磁导率不为零得出,然后再用零值去仿真。为什么不先以介电常数和磁导率为零代入麥克斯韦方程,再去推导波动方程呢?显然这是自相矛盾,不能成立的。[18]

D.R.Smith的试验无论是近场测量或是远场测量,应该可以互相转换。研究者应保证数据的可重复性。理论值与实测值的不相吻合,应该找出原因进行讨论。

 

               .关于人工电磁材料的讨论

笔者在过去的博文中首先讨论的英文词汇Metamaterial有多种含义:手征媒质;新型人工电磁材料[19];复合左/ 右手媒质等,左手材料(Left-handed Materia1)、负折射率材料(Negative Index RefractionNIR)、后向媒质(Back wave MediaBWM)、双负材料(Double Negative Materia1DNG)还有超材料;元材料等译法。

后来笔者又查阅一些文献资料,除上述含义和说法外,还有以下说法:国防科技大学博士论文用的名词是超介质材料[20],还有称作异向介质[21]和超构材料[22]

在国际学术期刊上对这种人工电磁材料主要有两种称呼: Electromagnetical Metamaterial(Metamaterial)和Composite Right-/Left-Handed Metamaterial(或materials).国际上普遍认可的定义为:“An artificial effectively homogeneous composites or structured materials that exhibit unusual properties not readily available in natural”。其确切含义是:由介质基片(包括单层或多层)和在其上刻蚀的金属图形,构成超常规材料的电磁宏观特性,产生这些特性主要取决于人为设计的图形结构,与基片材料和控制方法也有关联。

但是,这种人工电磁材料的出现,己渗透到不少边缘学科,例如,光学、声学、纳米材料、化学高分子等,使其原先的概念有所改变。

这种材料的工作频率范围已经包含声波、米波、分米波、厘米波、毫米波、红外、可见光等范畴,但实验工作还很有限,其理论分析也未完善,尚存在一些不能解释的问题,有待完善。

2001年,美国加州大学圣迭戈分校的Smith教授等人,在实验室制造出世界上第一个负折射率的超材料样品,并实验证明了负折射现象与负折射率。翌年,美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组,几乎同时提出一种基于周期性LC网络,实现超材料的新方法。 2002年底,麻省理工学院的孔金瓯教授也从理论上证明了左手材料存在的合理性,称之为向介质

不难看出人工电磁材料早就有两种技术途径实现,分析方法也不同。前者是用等效参数法,是谐振型;后者是用等效电路法,是非谐振型。国防科技大学论文比较客观,对两种方法进行了比较。[16] 文章指出:2002年,美国加州大学洛杉矶分校Itoh教授[23]和加拿大多伧多大学G.V.E1eftheriadg教授[24]等分别提出非谐振型左手材料---复合左/右手传输线(CRLH-TL)。这种材料是从传输线角度提出,是用加载L-C元件或叉指型电容和螺旋型电感制成。这种材料与现有平面传输线、平面波导、平面天线易连接,加工工艺易兼容,材料参数易调整。另外,这种材料频带宽、损耗低、尺寸小、性能新颖等优点,也易集成化。但不易实现三维结构。

另外,这种材料的应用还在探讨之中,说其优点多,说其缺点少。人云亦云者多,对存在的问题讨论得很少。现在看来要对这类人工电磁材料用统一名称很困难,因为实现左手材料已有两种方法,而左手材料与右手材料还可以复合。另外,从宏观可以实现,从微观也可以实现。

 

 

             .人造电磁黑洞实现了吗?

崔铁军研究团队在网上公布的多幅图,几何无一文字说明,是不愿意说还是解释不清楚。人工电磁材料实际上是宏观效应,从照片看,它是在介质基片上刻蚀成所需要的图形,例如金属线条和开口园环,也有矩形,还有梳状等。其排列方式包括周期性和非周期性,也有两者组合排列。介质基片有玻璃纤维板、陶瓷、石英、铁氧体等。为了改变参数有的用变容二极管控制,也有其它方法。除单层结构外,还有多层结构。

不管怎么说,这是宏观电磁效应,不应该用微观来解读。至于纳米材料实现人工电磁材料与Smith和崔铁军所说的材料不是一回事。而光子晶体是另一回事。

崔铁军研究团队拥有的模型能说是研制成了吗?笔者不认为人造电磁黑洞已经研制成功。百度网文章[25]指出:1130日消息,据英国《新科学家》杂志报道,两名中国科学家首次制造出可以吸收周围光线的人造电磁黑洞。这个黑洞目前在微波频率下工作,或许不久后它就能够吸收可见光,一种把太阳能转化为电能的全新方法可能因此产生。崔铁军说:入射电磁波遇到该装置时,电磁波将被该装置捕获,然后被引导着进入黑洞的中心核,被中心核吸收。电磁波不会再从黑洞中出来。按照这种说法,这种电磁黑洞,可以把空中的电磁波全部吸收进来

现在笔者假设人造电磁黑洞真的研制成功,那么可以用来反导弹系统,也可以反无人机。而这个系统还可以是无工作,不需要发射电磁波,不会轻易被敌方发现按照这种逻辑,它的发展前途很大,美国军方或中国军方应该特别关注才是。[26、27]  那么现在有没有条件实现笔者从网上搜索,重庆有一个化工厂,是生产人工电磁材料,另外,上还有推销该产品的企业,将原先菜盘大黑洞改变成足够大黑洞应该没有问题。可以首先无人机进行试验,看他能否打下无人机然后这人造电磁黑洞,进行反导实验,如果试验成功,可以宣布人造电磁黑洞已经研制成功,并且是开创性的新武器。否则就不可能认为他已经研制成功

 

                . 结论与讨论

笔者认为人造电磁黑洞现在没有研制成功。把它看成科学幻想比较确切。如果研究者认为笔者提出的方法实现有困难,还有一个办法来验证。这就是找一个有电磁屏蔽室的单位,将人造电磁黑洞安装到屏蔽室上面,将里面所有电磁波吸收干净,然后利用中国计量科学研究院无线电处拥有的1-40GHz的场强计来测量。如果測量值为零或很小,就可以说明人造电磁黑洞真的研制成功。

 

                . 参考文献

[1] Smith D.R,et el.,  Phys. Rev.Lett., 2000.84: 4184-4187.

[2] Shelby R.A, Smith D R, Schultz s,  Science, 2001,292:77-79.

[3] Fan-Yi, et.al, Polarization-Independent Metamaterial Analog of Electromagnetically Induced Transparency for a Refractive-Index-Based Sensor, IEEE Transactions Microw. Theory Tech., Vol. 60, no.10, pp.3013-3034, oct. 2012.

[4] Angel Belenguer, et el., Dual Composite Right-/Left-Handed Coplanar Waveguide Transmission Line Using Inductively Connected Split-Ring Resonators, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 60, no.10, pp.3035-3042, oct. 2012.

[5] Filippo Costa, et el., A Frequency Selective Radome With Wideband Absorbing Properties, IEEE  Trans. Antennas  and Propagation, Vol.60, no.6, pp.2740-2747, June 2012.

[6] Ziolkowski, “A Metamaterial-based efficient electrically small antennas”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Vol.54, No.7:2113-2130.2006.

[7] Lee K,LeongM K H, Itoh T,“Design of resonant small antenna using composite right/left-handed transmission line”, Proc.IEEE Antennas and Propagation Society Int.Symposium, June 2005.

[8] Kamada, Shinji Michishita,“Metamaterial lens antenna using dielectric resonators for wide angle beam scanning”,2010 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation.

[9] Filippo costa and A. Monorchio,A Frequency selective Radome With Wideband Absorbing properties .IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.60, No.6:2740-2747, June 2012.

[10] 邓龙江等,“多频谱隐身涂层材料进展”,Vo1.32No.8Aug. 2013.

[11] 赖耘,杭志宏,黄学勤、陈子旁,“隐身材料”(Cloaking material), 《物理》,Vol.41, no.9, 589-594,2012.(见百度文库).

[12] Cho  A.,Science, 2009, 323 : 701.

[13] 庞旭东和朱守正,“电磁隐身斗篷奇异性问题的处理与分析”,华东师范大学信息科学与技术学院,电波科学学报,Vol.28No.12013-02PP.169

[14] Cho A,  Science,2009,323:701.

[15] 中国科学家成功造出菜盘大“电磁黑洞”,环球科学(重庆)2009.l0.24l34053

[16] “神奇的超材料一人工电磁结构材料”,中国科学院网页上的科普文章,2014.2.27日。

[17] 中国节能环保网:人造电磁黑洞可吸收太阳能 转化为热能或电能,20091015 引用日期:2009-12-31

[18] 人民网:我国科学家验证光学黑洞理论,20091231

[19] “基于人工电磁材料的科技幻想”,《光电产品与资讯》,2010-06-10,百度网。

[20] 周磊,“可见光隐身衣尚未问世”,2009.9.14.07:33.http://www.sina.com.cn

[21] 凌晓辉,“各向同性零折射率超介质中电磁波的传播特性研究”,湖南大学信息与通讯工程专业硕士生论文,导师唐志祥,2010-03-15

[22] 鲍迪硕士论文,“新型人工电磁媒质的应用研究与测量系统设计”,东南大学电磁场与微波技术专业,导师崔铁军,2009.2.1

[23] 张辉博士论文,“超常介质的电磁特性及其应用研究”,国防科技大学电子科学与技术专业,导师袁乃昌,200991日,百度文库,2012-08-21.

[24] 袁宇博士论文,“微波异向介质实验与应用研究”,浙江大学电子科学与技术专业,导师孔金瓯、冉立新,2006-05-01.

[25] 赖耘,等,“隐身材料”,超构材料的研究与应用专题,物理.V0L.41no.19589-5942012. http://www.wuli.ac.cn. 道客巴巴文档resome 2014-01-15 12:54 .

[26] Caloz CItoh T,“Application of the transmission line theory of left-handed[LH] materials to the realization of a microstrip LH transmission lion”,IEEE AP-S,Int. Symp., 2002,412-415.

[27] Eleftherialdes George V, et al,Planar negative Refractive Index Media Using Periodically L-C Loaded Transmission Line,[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2002,50(12):2702-2712.

[28]中国科学家首次制造人造电磁黑洞”,2013-12-19 09:27,百度网.

[29] 都世民,“美国NMD的几个为什么”,环球军事,2001年,N0.1453-55.

[30] 都世民,“美国反导系统漏洞多多”,中国航天报,新军事文摘,2000-10-29. http://simg.sinajs.cn/blog7style/images/common/sg_trans.gif http://simg.sinajs.cn/blog7style/images/common/sg_trans.gif http://simg.sinajs.cn/blog7style/images/common/sg_trans.gif




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