关于光的 5 个惊人新发现

犀牛科讯

你可能会认为，经过几个世纪的光研究，我们几乎了解了关于光的一切。确实，我们在使用它方面取得了一个又一个突破，从照明到通信，从检查微观和宏观宇宙到扫描我们自己的身体。我们知道光是一种电磁波，这要感谢詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell)，他的方程在 1865 年确立了这一点；正如阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 在 1905 年所认识到的那样，它也以称为光子的电磁能量子包的形式出现。但是，我们对光的研究越多，我们看到的就越多，学到的也就越多。由于光波与人造“超材料”相互作用，将光视为波的经典观点仍然产生新的科学。我们仍在探索光作为一种量子粒子。这两种方法都提供了曾经只存在于科幻小说中的操纵光的方法。以下是最近的五个奇迹。
1. 弯曲光线以实现隐形
奇幻故事中神奇的隐形戒指和隐形斗篷反映了古代人类将事物和人隐藏起来的梦想。隐形也出现在科幻小说中，比如《星际迷航》中，敌对的罗慕伦飞船用隐身装置隐藏自己。这使用了相对论的一个想法，即强烈扭曲的时空使航天器周围的光线发生弯曲，就好像它不存在一样。
物理学家还不知道如何做到这一点，但光波和光线的经典光学指出了另一种解决方案。我们看到一个物体与入射光相互作用。原则上，隐形斗篷可以拦截这些入射光线，并将它们弯曲或折射到自身中，以便它们在斗篷内传播并沿着原来的路径出现。观察者看到看起来不受干扰的光，会认为那里什么也没有，就像流动的水在岩石周围平稳地分裂然后重新组合一样，没有显示出下游岩石的迹象。但为了让光沿着这条复杂的路径前进，斗篷需要由超材料制成。
研究人员于 2006 年首次使用刚性超材料斗篷测试了这一想法，这是一种空心圆柱体，其壁上有数千个小结构，使微波能够在壁内穿过合适的路径。斗篷放置在一个不透明的金属物体周围，使该物体在微波辐射下几乎完全消失。从那时起，研究人员让小型无生命物体以及鱼、猫和手在普通可见光下消失，但只能在狭窄的视角下看到。其他人开发了一种柔性斗篷，可以包裹住一个小物体，使其消失，但只能在一个波长下消失。科学还无法制造出一种可以将人完全隐藏在普通光线下的斗篷；但隐形研究正在蓬勃发展，我们正在接近哈利·波特的奇妙斗篷。

• 用光推动和拉动物体
  

就像投掷的岩石一样，光子携带着动量，在撞击时将动量传递到物体上。这种辐射压力就是阳光将彗尾推离太阳的原因，也是它可以推动航天器的原因。2010年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）推出了IKAROS（太阳辐射加速的星际风筝飞行器，以纪念神话中飞近太阳的伊卡洛斯）。它的薄薄的、网球场大小的聚合物帆聚集了太阳光子，这些光子共同产生了一个微小的力，使 IKAROS 稳步加速。六个月后，飞行了 3 亿英里，它在没有使用任何燃料推进的情况下抵达金星附近的目标。现在，日本宇宙航空研究开发机构和其他航天机构正在考虑使用更大、更有效的太阳帆来执行更长的任务。
值得注意的是，光源还可以将物体拉向自身，与光传播的方向相反。物理学家已经证明，在特殊形状的激光束内，光子对粒子的向前推动力由粒子自身电磁响应产生的向后力主导。这种效应足够强大，可以将生物细胞等微观物体拉向激光。然而在2023年，相关实验表明，低功率激光可以拉动一个相对较大的宏观物体，0.2英寸x 0.1英寸。这很难说是一种强大的科幻“牵引光束”，可以卷起整个航天器，但它可以提供一种新方法来远程采样地球和其他行星的大气层以及彗尾等现象。
3. 鬼影成像：黑暗中的图片
假设您想要形成类似活细胞之类的物体的图像，该物体可能会被照亮它的光能改变或损害。重影成像利用光子纠缠现象来产生几乎没有照明的物体的出色图像。由某些光学过程形成的纠缠光子对是量子相关的，因此测量一个光子对的特性可以立即揭示另一个光子对的特性，无论距离有多远。
在鬼影成像中，一群纠缠光子对中的每一个都会与物体相互作用，并遇到一个简单地记录其到达的探测器。相应纠缠伙伴的第二束光束永远不会接触物体，而是直接进入敏感的多像素探测器。即使在弱照明的情况下，对两个探测器结果之间的相关性进行计算机分析也可以创建高质量的物体图像。这种方法的用途包括将不可见红外光秘密拍摄的图像转换为高分辨率相机检测到的可见图像；或者从暴露于较低、相对安全的 X 射线剂量的患者获得高质量的 X 射线图像。
4. 量子时间裂缝
在 1801 年首次进行的著名双缝实验中，光束在穿过不透明屏障中的两个窄缝时分裂。在远端，光束扩散并重叠，在屏幕上形成亮区和暗区的图案，表明光由可以相互干扰的波组成。但该实验的现代版本一次只有一个光子瞄准狭缝，仍然会产生波状干涉图案。根据理查德·费曼的说法，这个引人注目的、仍然无法解释的波粒二象性例子“蕴藏着量子力学的核心……它包含着唯一的谜团”。
现在，物理学家用时间而不是空间的缝隙重现了这个实验。他们使用了氧化铟锡 (ITO) 薄膜，该薄膜对红外光是透明的，但在激光激发时会在 10 -15秒内迅速变得反射。在实验中，研究人员向 ITO 发射红外光。当ITO短暂变成镜子时，反射的红外光仍保持原来的形式。但是，当 ITO 镜快速连续地短暂打开和关闭两次时，反射的红外光明确表明，由于穿过的不是一个而是两次时间入口或狭缝，它已经干扰了自身。
一位观察家评论说，这项工作可能会像最初的双缝实验一样成为经典。通过将其扩展到时间而不是空间，该研究提供了一种探索“唯一之谜”的新方法。这项工作还展示了使用 ITO 等超材料以超快速度控制光学系统和量子计算机中的光的可行性。
5. 骑自行车超车
如果人们知道一个物理事实，那就是光是宇宙中最快的物质，在真空中以 186,000 英里/秒的速度传播。当光与普通物质相互作用时，速度会有所降低，例如，在光纤和普通玻璃中，速度会降至 124,000 英里/秒。这仍然足以在不到一秒的时间内绕地球一圈；所以这是个大新闻1999 年，哈佛大学研究员 Lene Hau 将光速大幅减慢至 38 英里每小时的人类速度，这是一个健康的自行车手可以匹敌的速度。这是在一种奇异的介质中完成的，即冷却至几乎绝对零的致密钠原子气体。结果是一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态的量子介质。光与它的相互作用比与任何普通介质的相互作用都更强烈，因此速度大大减慢。后来，Hau 完成了这一成就，让光戛然而止，然后又恢复了它并让它继续前进。
这些结果是基础物理学的突破，除了需要在接近绝对零的温度下工作之外，也可能很有用。但自从最初的工作以来，其他研究人员已经在室温下减慢了气体和固体中的光，使得在实际设备中使用减慢和停止的光成为可能。目前正在开发这些技术，例如用于同步光纤网络中的信号以及在计算机中存储数字数据。这两种应用都是开发完全基于光而不是传统电子芯片的先进电信网络和量子计算机的重要一步。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0pilbwJO
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