原标题:【物理世界】这些物理现象颠覆了我的世界!

这些反直觉的物理现象展现了前所未有的视野,那样的美,无法言语。

#变换光学带来的无穷魅力

变换光学的基本原理是根据麦克斯韦方程的空间不变性。讲得浅显一点就是,改变我们所处的物理空间,保持电磁波的空间不变

比如隐身衣,从电磁波的角度来看,它所处的空间是没有变化的,所以它感觉不到变换前后的差别,所以它就不能分辨有没有物体在隐身衣之内。但是从我们的空间来看,变换前后的空间是完全不一样的,变换后,空间中有一个”洞“,这个“洞”就可以隐藏物体。

从数学上来说,变换前后,在隐身衣外面的麦克斯韦方程的解释一致。这并没有违背唯一性定理,因为唯一性定理描述的是各项同性介质的情况。而隐身衣的构成恰好是各向异性介质。

隐身衣应该算是变换光学带来的最有意思的东西。第一次从数学上证明了隐身衣的可能性。当然还有其他的应用。

隐身衣:

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注意电磁波绕过了一个物体,好像这个物体对于它不存在一样。

电磁波聚集器:

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半径为c的圆圈内的电磁波都聚集在半径为a的圆圈内。注意外面的电磁波不受影响。

电磁波转向器:

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半径为a的圆圈内的场旋转了90°。注意外面的电磁波不受影响。

超散射

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在星星外面罩一个”面包圈“,使它看上去放大了几倍。注意是360°无死角放大,跟放大镜不一样。

看不见的波导

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弯曲波导

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光学黑洞

顾名思义,所有的光在遇到这个器件的时候,都有去无回。

光学黑洞实际上是用电磁材料来控制电磁波的路径,来模拟光掉进黑洞时的路径变化。从这个角度来说还是挺有意思的。

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还有很多别的应用,我就不列举了。美高梅注册,通过变换光学可以自由的操作电磁波,这是跟人们以往的想法是不一样。

#电磁波通过一个很小的波导隧穿过去

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比如这样,电磁波照理来说在经过一个很小的通道时大部分能量会反射回去。但是在这个窄道里填充介电常数为零的介质后,电磁波竟然全部隧穿过来了。这里涉及到折射率为零的材料,电磁波在狭窄的波导里面,以无穷的相速度传播。

#超透镜

光学显微镜有衍射极限,大约为波长的二分之一,这个大家都知道。

但是超透镜可以突破衍射极限,能分辨小于二分之一波长的物体。

从物理上来说,光学显微镜只是采集了传播波,所以丢失了一部分信息,这部分信息包含在倏逝波里面。

所谓传播波顾名思义是可以传播的波,倏逝波是不能够传播的波,它的波在传播方向上呈指数衰减。而超透镜它,能够将倏逝波转换为传播波,从而使我们得到倏逝波里面的信息

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#负折射率材料

负折射率材料在上个世纪还一直以为是不存在的,现在都造出来了。一般实现负折射介质是采用超材料,当然光子晶体也是可以的。

负折射率材料有很多反直观的特性,比如逆契伦科夫辐射。

什么是契伦科夫辐射?

契伦科夫辐射一般来说是物体运动速度大于介质里面波的传播速度。这里的波可以是电磁波,声波,水波等。

所以摩托艇在水面滑行产生的水纹就是契伦科夫辐射。飞机超音速飞行时引发的音爆也是由于契伦科夫辐射。

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在电磁波中:

对于折射率为2的介质,电磁波的极限速度为0.5c(c是电磁波在真空中得速度),如果一个高能粒子以0.6c的速度射入这种介质,就会产生所谓的契伦科夫辐射。所以应该是这样的:

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注意,在这里能量传播方向跟波的传播方向相同。

如果将材料替换为负折射率材料,那么很神奇的事情发生了:

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可以看到能量传播方向跟波的传播方向正好相反。

还有逆多普勒效应,就是电磁波波源离你远去的时候,你发现它的频率在增加。

利用负折射率材料还可以制作完美的透镜,电磁波携带的所有的信息都可以恢复,没有衍射极限的问题了,也就是超透镜。

#光子晶体

光子晶体是模拟固体物理中的晶体得到的。这就很神奇了,它跟晶体一样有禁带。

首先看看光子晶体怎么实现,它是这样的:

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蓝色的普通的介质,比如介电常数为8的材料,其他的是空气。

照理来说,这种材料是不可以完全阻挡电磁波传播的,但是如果它排成这种周期结构,在某些频率下,它就可以禁止电磁波传播。所以就可以用来束缚电磁波,做成波导:

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有人问这东西有什么用,波导不是可以用金属来做吗。但是在光频道,金属就不再是金属了,它们变成了普通的介质。所以光子晶体具有做光器件的潜力。它还可以做成三维的,就变成了类似光纤的东西。注意它跟光纤不一样,光子晶体是在亚波长尺度调控光波。

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#表面波

实际上最初接触表面波时,我是觉得它挺反直观的。因为在我们的印象中,电磁波都是在金属波导里面或者在光纤里面,也就是像自来水管一样,要把水通过壁的阻挡局域在水管里面

实际上,电磁波可以存在物体的表面,或者说物体与真空的界面。其实自然界中就存在很多表面波,比如水波,它就是一种表面波,这种波存在于水与空气之间。

对于电磁波,一种比较奇特的表面波是表面等离子体激元。这种表面波一般存在比较高的频段,比如光频段。这个频段比较靠近一些金属里面电子的谐振频率(比如金、银),光和电子可以直接交换能量,形成一种很奇特的模式。如果从麦克斯韦的参数上来说,此时金属的介电常数为负数。

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这东西好玩得很,可以做成波导,或者其它光器件。以后的光电路有可能用到它。

当然在低频段,比如微波段也是可以的。虽然在自然界,微波段没有介电常数为负的材料,但是可以人工制造出来。它可以做成这样:

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这东西就像电线一样。。。。电磁波就沿着这个“电线”走,是不是很神奇。

#拓扑光学

拓扑绝缘体,这个是最近才火的,其影响可媲美石墨烯。当然这东西也是最先出现在凝聚态物理,最近一两年延伸到电磁波。非常神奇的是,电磁波只能在它的表面传,不能在这种材料里面传。而且在表面传时,它的模式是受拓扑保护的浅显来说,一种模式只能往特定方向传播,就算有一些障碍物,它也可以绕过去。

所以很显然,它很适合当波导,不用担心电磁波拐外时带来的反射问题。就像以前的车道,车有的向前有的向后,很容易发生交通拥堵。现在我们建成了单行道,或者高速公路(由向前向后两个单行道构成),那么拥堵问题就会减少了。

上图:

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#慢光

顾名思义是让光走得很慢。其中有个原理是电磁感应透明(electromagnetic
induced transparence)
。这实际上是从quantum
physics中引入的一个概念。我们可以从各种结构或者材料来构建一个二能级系统,即两个不同的模式,在这个二能级系统中,不同能级或者说模式相互作用,在特定情况下就会产生电磁感应透明现象

这种现象可以用超材料来实现。一个dark element
在某个频率点谐振,谐振的品质因数非常高;另一个是bright element
在同一个频率点谐振,谐振的品质因数比较小。然后它们两个一叠加,电磁波就可以透射过去了。放个图:

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(c)就是(a)和(b)相互作用的结果。我们可以观察到在c中,电磁波是透过去的。

其实重点不在这。在这一点,电磁波的群速度会非常小,也就是光停在那里了。当然这其实是从凝聚态物理引申过来的。真正有趣的可能不在我熟悉的领域。去年科学家已经可以将光停止1分钟了。

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#casimir force及自发辐射

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真空中并不是空无一物(零点能),里面有各种光子产生和湮灭,虽然总的场为零,但是它们的扰动不为零。

考虑上面的模型,有两块金属板,中间有一些空隙。由于电磁波在金属板之间有特定的模式,并且由于两块板的作用,一些低频率的模式不能存在于板之间,也就是说,有部分的光子的涨落别限制了。这就导致板外面的力比板里面的力要强,进而产生casimir力

另外,范德华力实际上就是casimir力的一种。所以范德华力的也可以用上面的物理来解释。

另外,真空中的扰动,也是自发辐射的根本原因。正是由于真空中的扰动,造成了原子中电子能级的变化,从而辐射出光子。

现在科学家研究的一般都是反直觉的东西。越反直觉越有价值。

每一个重大breakthrough都是在刷新人们的世界观。

本文作者:杨二(知乎)

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