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。                                              

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年, 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.[11、12] 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。

二.两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 Letters（COL）《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。

三. 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19.2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。

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 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(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”。

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。

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：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。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，那么它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。[26、27]  那么现在有没有条件实现呢？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，网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。可以首先用无人机进行试验，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。否则就不可能认为他已经研制成功。

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。

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 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,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 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”，Vo1.32，No.8，Aug. 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.28，No.1，2013-02，PP.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.l0.24，l3：40：53。

[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，2009年10月15日  引用日期：2009-12-31。

[18] 人民网：我国科学家验证“光学黑洞”理论，2009年12月31日 。

[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，2009年9月1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.41，no.19，589-594，2012. http://www.wuli.ac.cn. 道客巴巴文档，resome 2014-01-15 12:54 .

[26] Caloz C，Itoh 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，N0.14，53-55.

[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.

作者：都世民    男，1940年3月生，安徽省桐城人。航天科工集团公司二院廿三所高级工程师。1963年毕业于哈尔滨工业大学无线电系雷达专业。自1973年至今，先后在国际学术刊物和学术会议文集上发表论文28篇，在国内学术刊物和学术会议文集上发表论文和科技报告80余篇。由他及与他人合作编著的著作10余部。1997年获中国专利宽频带平面微带天线。    

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来源：都世民的科学网博客

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