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如何科学地看穿一切

脑洞大开 爱 好奇 951浏览 0评论 来自:果壳网

看穿一切可是很多人梦寐以求的技能,你一定深深地思考过,如何才能看穿世界,看穿宇宙。更重要的是,在一个阳光明媚的下午,面对自己喜欢的妹子或者汉子,如何才能看穿那破坏了人与人之间信任的衣服呢?

先从最重要的说起

显然,我们还是应该先从衣服说起。对于那种本身就是半透明的衣服,那用强光就可以了,在明媚的阳光下,衣服后面的胴体也会更加清晰。可是我们技术流怎么能依赖别人穿透底衣服这样的运气呢?

要看穿衣服,第一个选项自然是红外成像了,依赖的是电磁波的红外波段。

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当然,乳房热成像其实是要脱去衣服才能做的。图片:Wiki Commons/Philip Hoekstra/有修正

对于正常着装的情况,衣服的热辐射与人体的热辐射混合在一起,是不能使用被动红外成像轻松看穿的。有位威尔·罗斯(Will Rose)制作了视频来向大家展示这一点。

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没有强红外光源,不能完全看穿衣服。图片来自威尔·罗斯视频的截图

然而能否看穿跟要看穿的材料以及用来看穿的电磁波的波长有关,有些材料在红外波段是非常透明的,这样的材料包括某些浴帘以及塑料垃圾袋。

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隔着浴帘,人像依然“清晰可见”。而黑色的垃圾袋在红外成像时几乎完全透明,可是谁在乎垃圾袋!图片来自威尔·罗斯视频的截图

上面是被动红外成像,人体的热辐射显然太弱。正如我们可以在强烈的太阳下更清楚的看穿某些人的衣服一样,如果我们有个红外源来照射被拍摄物体,那结果自然是能看穿更多了,例如纯棉衫就变的透明了。

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这是一件 95% 棉的上衣。图片来自威廉·雷·瓦尔特斯(WilliamRayWalters)视频的截图。

如果不止满足于看穿衣服呢?

然而只看破衣服,还不能满足一部分人的需求:一定要看到骨头,某些人就好这一口。

那我们先来回顾一下电磁波谱吧。上面说了红外和紫外,往更长的波长,电磁波更容易绕过物体,但是由于波长太长,定位精度就低。可以用来看穿门和墙壁,比如利用 WIFI 来定位建房间内部的恐怖分子[1]。往更短的波长,能量越高,除了穿过木门之类,穿过人体更容易,大家熟知的 X 光片便是最好的例子。

提到 X 光片,就不得不提第一张医学 X 光片——伦琴夫人手的照片。在 X 光这样高能量的电磁波面前,人体的血肉都是透明的。这是广泛使用的医学影像技术之一。

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第一张医学 X 光片。图片:Wiki Commons/Public Domain

但是如果改进X射线扫描仪的结构的话,又能“化腐朽为神奇”,传统的X射线只是穿透过去,根据穿透的量来成像,但是如果我们检查的是散射的X射线呢?我们就得到了一个X射线背散射扫描仪,也就是传说中在某些机场使用的,传说中的“裸体扫描仪”。

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面对这样高能的,引发无数争议的,能够看穿一切的神奇机器,除了穿着金属油墨印刷的内衣加以抗议之外,似乎也没有更好的办法来保护自己的隐私了。图片:theinspirationroom.com

回到看穿人体——用的更高能量的伽玛射线其实效率也很高,闪烁扫描仪利用的就是这种射线。采用不同的方法让人体的特定部位吸收放射性同位素,然后在体外探测放射性同位素释放出的伽马射线,就可以形成二维影像了。

当然,这些高能电磁波并非仅仅应用在医学以及安保上,其他应用也很多。在材料损伤探测的时候,钢筋铁骨也能看穿。

如何看穿更大的东西?

那么要看穿更多的东西,我们就不得不拿出一个更普适的方案——声波。我们这里要说的,不仅仅是我们听到的声波,而是一切振动模式的传播。如同敲西瓜来判断西瓜里面是否沙瓤一样,我们可以利用声波来获取几乎所有物体或多或少的内部信息。

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利用声波看穿西瓜,你可以吗?图片:shutterstock.com

与光在介质交界处的反射和折射类似,声波也会有反射和折射。而由于超声波具有很好的指向性,所以通过超声波在人体内不同部分之间的回声的探测和计算,可以获得体内的结构,例如看到肚子里未出生的孩子。同样的原理,超声也可以用来对材料进行损伤断定。

前面看了很多人体,既然是要看穿一切,那我们要将视角从人移到更加宏大的物体上。

广义上讲,震动模式和声速这些信息是有物体的组成和结构有着密切的联系的,一个钢球的声音通常要比一个木球的声音要更清脆。

要看穿地球?请用声波,地震波给了我们很多地球的结构信息。现在我知道地球内部有多个不同性质的层,主要手段就是使用地震波。这边大力一脚踩,其他地方的人分析声波的特性,就可以知道地球里面声波跑的快,所以比较硬,哪里有明显反射,所以是个交界处。

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教程:如何利用地震波看穿地球。图片:Wiki Commons/SEWilco/Hardwigg

要看穿太阳?请用声波,星震学指引我们通过分析恒星的不同振动模式来获取恒星内部的信息,其最基本原理与地震学类似。

所以想看穿一切,就要任性地使用声波。

看穿一切的顶尖高手:中微子

如果说,这还不够任性,那么我们上面用了人世间的四种相互作用中的一种即电磁相互作用,剩下的三种里面,还有一种也是看穿的顶尖高手——弱相互作用。这位看穿高手就是中微子。

中微子可以轻松的穿过地球上绝大多数物体,因为负责联系中微子和电子的相互作用粒子是个大胖子,只能跑很近的距离,远了就没法将中微子和电子联系起来,这就导致用整个地球阻挡中微子就像用羽毛球拍打蚊子一样,网格太大,拦不住。

即便是太阳,中微子也可以轻松穿越,因此我们可以通过观测中微子来得知太阳内部的一些情况,例如太阳内部是什么样的核反应,或者太阳内部有没有暗物质(IceCube实验)。

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位于南极的IceCube实验室,在那里工作本身也挺看穿一切的。图片:Sven Lidstrom/NSF

然而对于超新星爆发,情况就不同了。超新星爆发时,恒星外层向内坍塌,但是当恒星内核被压缩到一定程度之后,就突然变得很硬,所以外层的物质就像乒乓球撞到很硬的墙一样,被向外弹开,这就是超新星爆发。然而这样的能量不足以将外层物质抛得太远。中微子是超新星爆发的第二推手。恒星内核的密度非常大,中微子也无法自由的穿透内核,因此这些中微子带着大量的能量就被困在其中,然后突然释放出来,由于这样释放的中微子非常多,撞到之前被抛出的物质,推动他们远离恒星内核。

中微子被释放出来,我们自然可以获得内核的组成信息。可惜的是,由于中微子有六种,他们之间存在相互转换,再加上他们与超新星爆发中抛出的物质相互作用,问题太过复杂,现在我们还无法完全解决通过中微子看穿超新星的问题。

怎样才能看穿整个宇宙?

现在我们看穿了人,看穿了天体,那下面要看穿的,必然是整个宇宙了。

沿着时间倒着回去,早期的宇宙就是一锅越来粘稠的乱炖。光子是最难跑出来的,因为它跟谁都有仇有怨,凡是别人带电它就要拉一下踹一脚,所以一直被限制在乱炖里面。光子只能看穿到宇宙诞生之后 38 万年。然而中微子不一样,就像光子透不过地球(地球不是透明的)但是中微子可以穿过一样,它在这锅乱炖很粘稠的时候就能跑出来了,它能看穿到宇宙诞生之后大约1秒。

倘若要看到那1秒之前的宇宙,那就只能借助引力了,因为引力的相互作用更弱,所以它更早的就从这锅乱炖中出来了。在看穿宇宙方面,引力可是王者。

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想要看穿宇宙,还得祭出引力波。图片:wiki commons

所以,如果你突然觉醒,能够拥有一种看穿一切的能力的话,你会选择哪种呢?(编辑:老猫)

参考文献

  1. Chetty K et al (2012). Through-the-Wall Sensing of Personnel Using Passive Bistatic WiFi Radar at Standoff Distances. Transactions on Geoscience and Remote Sensing 50(4):1218-1226. DOI:10.1109/TGRS.2011.2164411

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