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关于「光」的五大惊人新发现
我们可能会认为，经过几个世纪对光的研究，我们已经对光了如指掌。
的确，我们在利用光方面取得了一个又一个突破，从照明到通信，从研究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，这要归功于麦克斯韦（James Clerk Maxwell），他的方程在 1865 年就确定了这一点；我们还知道光是电磁能量的量子包，被称为光子，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在 1905 年就认识到了这一点。
但是，我们对光的研究越深入，看到的就越多，学到的也就越多。当光波与人造“超材料”相互作用时，将光视为波的经典观点仍在产生新的科学；我们仍在探索将光视为量子粒子的观点。这两种方法都提供了曾经只是科幻小说中才有的操纵光的方法。
以下是最近的五大光学进展。
奇幻故事中神奇的隐形戒指和斗篷反映了人类古老的梦想，即把事物和人隐藏起来，不让人看见。隐形也出现在科幻小说中，比如《星际迷航》中，敌对的罗慕兰飞船用隐形装置隐藏了自己。这利用了相对论中的一个概念：即强烈扭曲的时空会使光线绕着飞船弯曲，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原理指出了另一种解决方案。我们看到的是物体与射入光线的相互作用。原则上，隐形斗篷可以拦截这些射入的光线，并将它们弯曲或折射到斗篷本身，这样它们就会在斗篷内传播，并沿着原来的路径出现。观察者看到的是看似未受干扰的光线，会认为那里什么都没有，就像流水在岩石周围平滑地分裂，然后重新组合，不会在下游看到岩石一样。但是，要让光沿着这种复杂的路径前进，斗篷需要由超材料制成。
2006 年，研究人员首次用刚性超材料隐形衣测试了这一想法。这种隐形衣是一个空心圆柱体，其壁上有数千个小结构，可使微波在壁内穿过合适的路径。将其放置在一个不透明的金属物体周围，斗篷能使物体在微波辐射下几乎完全消失。此后，研究人员又使一些无生命的小物体、一条鱼、一只猫和一只手在普通可见光下消失，但只能在狭窄的视角下看到。还有人研制出了一种柔性斗篷，它可以包裹住小物体，使其消失，但只能在一种波长下消失......
现在，关于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。
光子就像投掷的石块一样，在撞击物体时会将动量传递给物体。这种辐射压力是太阳光将彗尾推离太阳的原因，也是它能推动航天器的原因。
2010 年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）发射了 IKAROS（由太阳辐射加速的星际风筝飞船，以纪念神话中飞近太阳的伊卡洛斯）。它的网球场大小的薄聚合物帆聚集了太阳光子，这些光子共同施加了一个微小的力，使 IKAROS 稳步加速；6 个月、3 亿英里之后，它在没有使用任何燃料推进的情况下抵达了金星附近的目标。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、更有效的太阳帆执行更长的任务。
值得注意的是，光源还能将物体拉向自身，与光的传播方向相反。物理学家已经证明，在一束特殊形状的激光束中，光子对粒子的正向推动力被粒子自身电磁响应所产生的反向力所支配。这种效应足以将生物细胞这样的微观物体向后拉向激光。
然而，2023 年的一项相关实验表明，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）。这并不是科幻小说中能卷走整个航天器的强大“牵引光束”，但它可以为远程采样地球和其他行星的大气层以及彗尾等现象提供一种新方法。
假设你想为像活细胞这样可能会被光能改变或伤害的物体成像。幽灵成像技术利用光子纠缠现象为几乎没有光照的物体生成出色的图像。由某些光学过程形成的纠缠光子对具有量子相关性，因此无论距离多远，测量其中一个光子对的特性就能立即显示出另一个光子对的特性。
在幽灵成像中，纠缠光子对中的每一束都会与物体发生相互作用，并遇到一个探测器，该探测器会简单地记录光子对的到来。相应纠缠光子对的第二束光子从未接触过物体，而是直接进入一个灵敏的多像素探测器。计算机对两个探测器结果之间的相关性进行分析，就能生成物体的高质量图像，即使光照很弱。
这种方法可用于将不可见红外光隐蔽拍摄的图像转换为高分辨率相机检测到的可见光图像；或从暴露在低剂量、相对安全的 X 射线下的病人身上获取高质量的 X 射线图像。
在 1801 年首次完成的著名双缝实验中，一束光穿过不透明屏障上的两个窄缝时会发生分裂。在远端，光束扩散并重叠，在屏幕上形成亮区和暗区的图案，表明光是由可以相互干涉的波组成的。但是，在现代版实验中，每次只将一个光子对准狭缝，仍然会产生类似波的干涉图案。理查德·费曼（Richard Feynman）认为，这个惊人的、至今仍无法解释的波粒二象性例子“具有量子力学的核心......它包含了唯一的奥秘”。
现在，物理学家用时间狭缝而不是空间狭缝重现了这个实验。他们使用了铟锡氧化物（ITO）薄膜，这种薄膜对红外光是透明的，但在激光的激发下，会在10-15秒内迅速变成反射光。在实验中，研究人员将红外光射向ITO。当 ITO 在短时间内变成一面镜子时，反射的红外线仍保持原来的形式。但是，当 ITO 镜子连续两次非常短暂地打开和关闭时，反射的红外光明确显示，由于通过的不是一个而是两个时间门户或狭缝，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，这项工作还表明，在光学系统和量子计算机中使用ITO等超材料以超快速度控制光线是可行的。
如果说人们都知道一个物理事实，那就是光是宇宙中速度最快的东西，在真空中的速度为每秒 186,000 英里。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。这样的速度仍然足以在几分之一秒内绕地球一圈；因此，1999 年哈佛大学研究员 Lene Hau 将光速大大降低到人类所能达到的每小时 38 英里的速度时，成为了一个大新闻。
这是在一种奇特的介质中实现的，这种介质是由冷却到接近绝对零度的钠原子组成的稠密气体。结果产生了一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态的量子介质。光与这种介质的相互作用比与任何普通介质的相互作用都要强烈，因此它的速度大大减慢。后来，科学家又使光戛然而止，随后又使其恢复并继续前进，从而使这一成果更上一层楼。
这些成果是基础物理学的突破，除了需要在接近绝对零度的温度下工作外，也可能非常有用。但自从最初的研究工作之后，其他研究人员已经在室温下减慢了气体和固体中的光速，使得在实用设备中使用减慢和停止的光成为可能。这些设备目前正在开发中，例如用于同步光纤网络中的信号和存储计算机中的数字数据。
这两项应用都是朝着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迈出的重要一步。
参考链接：[1]https://pubs.aip.org/aip/jap/article/129/23/231101/286411/Optical-cloaking-and-invisibility-From-fiction[2]https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-31-2-2665&id=525052[3]https://physics.aps.org/articles/v9/103[4]https://www.nature.com/articles/d41586-023-00968-4[5]https://www.nytimes.com/1999/02/18/us/researchers-slow-speed-of-light-to-the-pace-of-a-sunday-driver.html?searchResultPosition=6[6]https://bigthink.com/the-future/discoveries-about-light/