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有哪些反直覺的物理現象?

2015-04-27科學

看大家都比較感興趣,我把全文重新組織一遍,並給出了一些淺顯的物理解釋。

1、首先是變換光學帶來的無窮魅力。


變換光學的基本原理是根據麥克斯韋方程式的空間不變性。 講得淺顯一點就是,改變我們所處的物理空間,保持電磁波的空間不變

比如隱身衣,從電磁波的角度來看,它所處的空間是沒有變化的,所以它感覺不到變換前後的差別,所以它就不能分辨有沒有物體在隱身衣之內。但是從我們的空間來看,變換前後的空間是完全不一樣的,變換後,空間中有一個」洞「,這個「洞」就可以隱藏物體。

從數學上來說,變換前後,在隱身衣外面的麥克斯韋方程式的解釋一致。這並沒有違背唯一性定理,因為唯一性定理描述的是各項同性介質的情況。而隱身衣的構成恰好是各向異性介質。

隱身衣應該算是變換光學帶來的最有意思的東西。第一次從數學上證明了隱身衣的可能性。

隱身衣 :

註意電磁波繞過了一個物體,好像這個物體對於它不存在一樣。

隱身衣有非常多有趣的地方,如果對它感興趣可以點選這裏:

浙大的光學隱身技術是怎麽回事?

電磁波聚集器:

半徑為c的圓圈內的電磁波都聚集在半徑為a的圓圈內。註意外面的電磁波不受影響。

電磁波轉向器 :

半徑為a的圓圈內的場旋轉了90°。註意外面的電磁波不受影響。

超散射

在星星外面罩一個」麪包圈「,使它看上去放大了幾倍。註意是360°無死角放大,跟放大鏡不一樣。

看不見的導波

彎曲導波

光學黑洞

顧名思義,所有的光在遇到這個器件的時候,都有去無回。

光學黑洞實際上是用電磁材料來控制電磁波的路徑,來模擬光掉進黑洞時的路徑變化。從這個角度來說還是挺有意思的。

還有很多別的套用,我就不列舉了。透過變換光學可以自由的操作電磁波,這是跟人們以往的想法是不一樣。

2、電磁波透過一個很小的導波穿隧過去。

比如這樣,電磁波照理來說在經過一個很小的通道時大部份能量會反射回去。但是在這個窄道裏填充介電常數為零的介質後,電磁波竟然全部穿隧過來了。這裏涉及到折射率為零的材料,電磁波在狹窄的導波裏面,以無窮的相速度傳播。

3、超透鏡

光學顯微鏡有繞射極限,大約為波長的二分之一,這個大家都知道。

但是超透鏡可以突破繞射極限,能分辨小於二分之一波長的物體。

從物理上來說,光學顯微鏡只是采集了傳播波,所以遺失了一部份資訊,這部份資訊包含在倏逝波裏面。


所謂傳播波顧名思義是可以傳播的波,倏逝波是不能夠傳播的波,它的波在傳播方向上呈指數衰減。而超透鏡它,能夠將倏逝波轉換為傳播波,從而使我們得到倏逝波裏面的資訊。


4、負折射率材料

負折射率材料在上個世紀還一直以為是不存在的,現在都造出來了。一般實作負折射介質是采用超材料,當然光子晶體也是可以的。

如果對超材料感興趣可以點選這裏,我對它做了比較詳細的介紹:

地鐵內超高速 Wi-Fi 中的超材料到底是什麽,怎樣 「剪裁」電磁波?

負折射率材料有很多反直觀的特性,比如逆契倫科夫輻射。

什麽是契倫科夫輻射?

契倫科夫輻射一般來說是物體運動速度大於介質裏面波的傳播速度。這裏的波可以是電磁波,聲波,水波等。

所以摩托艇在水面滑行產生的水紋就是契倫科夫輻射。飛機超音速飛行時引發的音爆也是由於契倫科夫輻射。


在電磁波中:

對於折射率為2的介質,電磁波的極限速度為0.5c(c是電磁波在真空中得速度),如果一個高能粒子以0.6c的速度射入這種介質,就會產生所謂的契倫科夫輻射。所以應該是這樣的:

註意,在這裏能量傳播方向跟波的傳播方向相同。

如果將材料替換為負折射率材料,那麽很神奇的事情發生了:

可以看到能量傳播方向跟波的傳播方向正好相反。

還有逆都卜勒效應,就是電磁波波源離你遠去的時候,你發現它的頻率在增加。

利用負折射率材料還可以制作完美的透鏡,電磁波攜帶的所有的資訊都可以恢復,沒有繞射極限的問題了,也就是超透鏡。

6、光子晶體

光子晶體是模擬固體物理中的晶體得到的。這就很神奇了,它跟晶體一樣有禁帶。

首先看看光子晶體怎麽實作,它是這樣的:

藍色的普通的介質,比如介電常數為8的材料,其他的是空氣。

照理來說,這種材料是不可以完全阻擋電磁波傳播的,但是如果它排成這種周期結構,在某些頻率下,它就可以禁止電磁波傳播。所以就可以用來束縛電磁波,做成導波:

有人問這東西有什麽用,導波不是可以用金屬來做嗎。但是在光頻道,金屬就不再是金屬了,它們變成了普通的介質。所以光子晶體具有做光器件的潛力。它還可以做成三維的,就變成了類似光纖的東西。註意它跟光纖不一樣,光子晶體是在亞波長尺度調控光波。


7 、表面波

實際上最初接觸表面波時,我是覺得它挺反直觀的。因為在我們的印象中,電磁波都是在金屬導波裏面或者在光纖裏面,也就是像自來水管一樣,要把水透過壁的阻擋局域在水管裏面。

但實際上,電磁波可以存在物體的表面,或者說 物體與真空的界面。其實自然界中就存在很多表面波,比如水波,它就是一種表面波,這種波存在於水與空氣之間。

對於電磁波,一種比較奇特的表面波是表面等離子體激元。這種表面波一般存在比較高的頻段,比如光頻段。這個頻段比較靠近一些金屬裏面電子的諧振頻率(比如金、銀),光和電子可以直接交換能量,形成一種很奇特的模式。如果從麥克斯韋的參數上來說,此時金屬的介電常數為負數。

這東西好玩得很,可以做成導波,或者其它光器件。以後的光電路有可能用到它。

當然在低頻段,比如微波段也是可以的。雖然在自然界,微波段沒有介電常數為負的材料,但是可以 人工制造出來。它可以做成這樣:

這東西就像電線一樣。。。。電磁波就沿著這個「電線」走,是不是很神奇。

8、 拓撲 光學

拓撲絕緣體,這個是最近才火的,其影響可媲美石墨烯。當然這東西也是最先出現在凝聚態物理,最近一兩年延伸到電磁波。非常神奇的是,電磁波只能在它的表面傳,不能在這種材料裏面傳。而且在表面傳時,它的模式是受拓撲保護的。淺顯來說,一種模式只能往特定方向傳播,就算有一些障礙物,它也可以繞過去。

所以很顯然,它很適合當導波,不用擔心電磁波拐外時帶來的反射問題。就像以前的車道,車有的向前有的向後,很容易發生交通擁堵。現在我們建成了單行道,或者高速公路(由向前向後兩個單行道構成),那麽擁堵問題就會減少了。

上圖:



9、慢光

顧名思義是讓光走得很慢。其中有個原理是電磁感應透明(electromagnetic induced transparence)。這實際上是從quantum physics中引入的一個概念。我們可以從各種結構或者材料來構建一個二能階系統,即兩個不同的模式,在這個二能階系統中,不同能階或者說模式相互作用,在特定情況下就會產生電磁感應透明現象。

這種現象可以用超材料來實作。一個dark element 在某個頻率點諧振,諧振的品質因數非常高;另一個是bright element 在同一個頻率點諧振,諧振的品質因數比較小。然後它們兩個一疊加,電磁波就可以透射過去了。放個圖:

(c)就是(a)和(b)相互作用的結果。我們可以觀察到在c中,電磁波是透過去的。

其實重點不在這。在這一點,電磁波的群速度會非常小,也就是光停在那裏了。

當然這其實是從凝聚態物理引申過來的。真正有趣的可能不在我熟悉的領域。

去年科學家已經可以將光停止1分鐘了。

10、casimir force及自發輻射

真空中並不是空無一物(零點能),裏面有各種光子產生和湮滅,雖然總的場為零,但是它們的擾動不為零。

考慮上面的模型,有兩塊金屬板,中間有一些空隙。由於電磁波在金屬板之間有特定的模式,並且由於兩塊板的作用,一些低頻率的模式不能存在於板之間,也就是說,有部份的光子的漲落別限制了。這就導致板外面的力比板裏面的力要強,進而產生casimir力。

另外,範德華力實際上就是casimir力的一種。所以範德華力的也可以用上面的物理來解釋[1]。

另外,真空中的擾動,也是自發輻射的根本原因。正是由於真空中的擾動,造成了原子中電子能階的變化,從而輻射出光子。

還有很多。。。。。


現在科學家研究的一般都是反直覺的東西。越反直覺越有價值。每一個重大的breakthrough都是在重新整理人們的世界觀。

P.S. 由於參照的文獻太多了,我就不列舉了。

References

1. Rodriguez, A. W., Capasso, F., & Johnson, S. G. (2011). The Casimir effect in microstructured geometries. Nature photonics , 5 (4), 211-221.

持續更新中 。。。。。