1、 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”的是否真实存在。 笔者认为研究者只是给出一些仿真结果，不表示人造电磁黑洞的真实存在，其理由见下文。 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。 一 .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
2、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 。奇怪的是，美国专家 D.R.Smith 不在美国发展他的研究成果，而是选择东南大学毫米波实验室作为合作伙伴。 2008 年 , 在东南大学召开了一次国际专题学术研讨会。会后东南大学发表了“人造电磁黑洞”的科研成果，一些网文声称该成果惊动了欧美和俄罗斯，其影响之大，非同一般11-20。随着研究的深入，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 .21、 22 原先发表的隐身斗篷己经落后，因为隐身斗
3、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，这电磁波似乎非 常听“人工电磁材料”的话！其实这一提法尚存疑问。远程隐身的论述实际上否定了电磁波拐弯的必要性。 这保角变换就是处理奇异性问题，文章 23在构建隐身斗篷问题时，指出对扩展式映射方法，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 21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
4、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。到目前为止，这种隐身斗篷的概念並非雷达隐身的概念，只有传输性能测试证明。沒有 RCS 测试证明 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”，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。这两大成果是真的实现了还是科幻？或是根本不成立，夲文对此进行探讨。 二 .两篇文章的说法揭示什么？ 第 一篇文章 24 的 题目是：“基于人工电磁材料的科技幻想” ，笔者认为这篇文章的题目表明人造黑洞是科学幻想。它现在没有实现。 第二篇文章 25的 题
5、目是： “可见光隐身衣尚未问世”。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。 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。笔者认为研究者只是给出一些仿真结果，不表示“人造电磁黑洞”的真实存在。 三 . D.R.Smith 试验有什么问题？ “人造电磁黑洞”的出现是源自于人造电磁材料的出现，其发现人
6、是 D.R.Smith1。他的 试验 给出了等效折射率结果，可以明显看出试验结果与分析结果在 19.2 到 l9.8GHz 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。而实测给出的負折射率的峰值只有 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，等效参数提取方法有问题；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
7、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 ?！笔者认为他的测试结果不会重复，无论是幅度或是相位都不会重复。 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。另外在等效参数提取上没有考虑各单元间的互耦。 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
8、应该给出相位方向图测试结果。在测试时应轴向 和垂直地面方向分别移动被测件。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 方向变化，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。从中科院电子所研究生论文看，他们重复了 Smith 的实验方法，给不出从 0 到正、负 l 的折射率的测试结果，说明这一方法有问题。为什么不说明其原因呢？ 在等效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
9、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？笔者认为是不能满足的。 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。 26 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。 它应该用矢量网络分析仪測量阻抗的实部和虚部，同时要给出等效参数的实部和虚部。 四 . 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
10、英文词汇 Metamaterial 有多种含义： 手征媒质；新型人工电磁材料 27；复合左 / 右手媒质等，左手材料 (Left-handed Materia1)、负折射率材料(Negative Index Refraction， NIR)、后向媒质 (Back wave Media， BWM)、双负材料 (Double Negative Materia1， DNG)还有超材料；元材料等中文说法。 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：超常介质材料28，异向介质 29和超构材料 21等。说法相当多，不一一列出。 在国际学术期刊上对这种人工电磁材料主要有两种称呼： Ele
11、ctromagnetical Metamaterial( 或 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
12、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。夲文不讨论。 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 Eleftheri
13、ades 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 了 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 “异 向介质 ”。这就是说，人工电磁材料有两种实现方法，它们都是宏观材料，展示的是宏观电磁效应。 在宏观范畴，人工电磁材料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。论文 28 比较客观，对两种方法进行了比较。文章指出： 2002 年，美国加州大学洛杉矶分校 Itoh 教授 30和加拿大多伧多大学G.V.E1eftheriadg 教授 31等分 别提
14、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。 应当指出：现在对人工电磁材料的研究尚不成熟，无论是理论分析和试验验证都存在一些问题，需要进一步改进。另外在等效参数提取的方法上，如何精确给出並经试验验证，吻合精度在 3以内，满足工程需要还相差相当远 。 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
15、问题讨论得很少。现在看来要对这类人工电磁材料用统一中文名称很困难，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。 五 .“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
16、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。文章 11-20都指出： 11 月 30 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。 这种报道是失实的，明明没有制造出吸收周围光线的人造电磁“黑洞”，却说成是吸收光线。 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
17、，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 。显然这种说法是一种幻想，毫无实验和理论依据。 现在 笔者假设“人造电磁黑洞”真的研制成功， 那么 它应该 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 源 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 32、 33。 那么现在有没有条件实现 呢 ？ 笔者 从网上搜索，人工电磁材料 有小批量生产，那么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 用
18、无人机进行试验，看他能否打下无人机 。 然后 再 利 用 这人造电磁黑洞， 进行反导 实验，如果试验成功， 就 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。 否则笔者 就不可能认为他已经研制成功 。希望教育部对这项科技成果复议。 六 . 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。这就是找一个拥有电磁屏蔽室的单位，这不困难。可以将“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 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
19、制成功。 34 七 . 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 Mi
20、crow. 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 C
21、osta, 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
22、-2130.2006. 7 Lee K,Leong， M 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
23、 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”，中国材料进展， Vo1.3
24、2， No.8， Aug. 2013. 11 “ 中国科学家首次制造人造电磁黑洞 ” ,2013-12-19 09:27,破鞋儿聊科技 3265872 12“ 中国科学家首次制造人造电磁黑洞 ”， 文章来源： 凤凰网 ,时间： 2013.12.16 11:06. 13“ 人造电磁黑洞 ”， 互动百科词条 -人造黑洞 . 14中国东南大学制造世界第一个 “人造黑洞 ”,2010-11-12 00:04:23 来源 : 外滩画报 . 15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， 2009 年 10 月 15日 引用日期： 2009-12-31。 16中国科学家打造人造黑
25、洞 有望用于太阳能发电 , http:/. 17中 国科学家成功造出菜盘大“电磁黑洞”，环球科学 (重庆 )， 2009.l0.24， l3： 40： 53。 18中国科学家真的造出了黑洞吗？ moogee 果壳网主编，科学松鼠会成员 | 只看 Ta 2011-07-04 11:59. 19中国军方最新黑洞武器太变态：美日全都被吓坏了 ,http:/ 2014 年 01 月03 日 10:58:18 西 陆 军 事 . 20人民网：我国科学家验证 “光学黑洞 ”理论， 2009 年 12 月 31 日 。 21赖耘，杭志宏，黄学勤、陈子旁，“隐身材料” (Cloaking material),
26、 物理 ,Vol.41, no.9, 589-594,2012.(见百度文库 ). 22 Cho A, Science,2009,323:701. 23 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.28， No.1， 2013-02， PP.169。 24 “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。 25 周磊，“可见光隐身衣尚未问世”， 2009.9.14.07:33.http:/。 26 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，
27、导师唐志祥， 2010-03-15。 27 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。 28 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， 2009 年 9 月 1 日，百度文库， 2012-08-21. 29 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. 30 Caloz C， Itoh T，“ Application of the transmission line theory of
28、left-handedLH materials to the realization of a microstrip LH transmission lion”， IEEE AP-S,Int. Symp., 2002,412-415. 31 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. 32 都世民，“美国 NMD 的几个为什么”，环球军事， 2001 年， N0.14， 53-55. 33 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. 34中国计量科学研究院无线电处拥有 1-40GHz 的场强计 .
