[中配]探索光的隱藏超能力：時間旅行與隱形技術

每秒鐘地球每平方米接收到的來自太陽的光通量 相當於14個100瓦燈泡的總功率 每天晚上我們開關不同的光源幾十次 對我們來說 這些都是不需要思考的機械動作 但如果我們在家裏開着燈睡着了 醒來時卻發現身處遙遠的過去會怎樣呢 聽起來讓人難以置信 你可能會問光和這有什麼關係 2022年秋季 兩個獨立的科學團隊 來自牛津大學和維也納的物理學家 向過去發送了一顆光粒子 後來他們在archive上發佈了研究結果 他們通過一種特殊的晶體分裂了光子 實現了他們所稱之爲的量子時間反轉 這個光子在過程中同時移動到了未來和過去 這項研究可能無法讓人類回到過去 但它最終可以解釋這種旅行的機制 這一切都要歸功於普通的光 但你甚至沒有想到光還有其他超能力 陽光是地球上唯一的能量和生命源 但最初的光出現於太陽誕生之前很久 我們的宇宙大約在140億年前誕生 大爆炸之後立即形成的等離子體密度極高 且溫度極高 以至於沒有任何東西能夠穿透 包括光光 宇宙花費了近4億年的時間 才能擴張並冷卻到足夠的程度 使得電子和質子的相互作用形成了氫 第一道光出現了 不久之後宇宙經歷了快速膨脹期 第一次光的波長增大變成了微波 它們構成了我們稱之爲 一級輻射的宇宙背景輻射 通過望遠鏡 我們在任何時刻都能看到 數十億年前誕生的光 這太神奇了 與宇宙同時 爲什麼一級輻射不會消失 它是用什麼做的 人們在基督之前就開始思考光的本質了 古希臘人堅信 我們之所以能看到周圍的世界 是因爲我們的眼睛發出視覺光束 觸及物體 直到1672年 英國物理學家艾薩克·牛頓 在他的《光與顏色的新理論》中指出 光由不同折射率的不同顏色組成 而不是亞里士多德所聲稱的純白色 牛頓通過實驗證明了這一點 他將一束日光照射到一個棱鏡上 然後在其後面的屏幕上 看到了七種彩虹色 那我們爲什麼將光感知爲白色呢 問題在於 人眼對陽光的敏感度要低得多 這就是爲什麼我們看不到整個光譜的原因 牛頓也認爲光由物質粒子組成 他稱之爲微粒 它們沿着從光源發出的直線移動 它的理論可以解釋光是如何傳播和反射的 但無法解釋它是如何折射的 幾乎20年後 荷蘭物理學家克里斯蒂安 惠根斯發表了一部著作 提出了光作爲波的理論 而僅僅一個世紀後 英國物理學家托馬斯·楊支持了他的觀點 在他著名的實驗中 他證明了光以波的形式傳播 學者連續將其通過了兩個障礙 第一個有一個狹縫 而另一個有兩個 如果光是由粒子組成的 那麼在第二個障礙後的屏幕上 會出現兩條光線 分別在每個縫隙前面 然而出現在屏幕上的卻是干涉圖樣 由於波浪重疊 某些地方它們的強度增加 而其他地方則減弱 這就是爲什麼在第二個屏障後 我們看到的不是兩條光線 而是一系列類似條形碼的明暗條紋 光的波動性概念一直主導到20世紀 直到阿爾伯特·愛因斯坦發現 光實際上由無重的亞原子粒子組成之前 科學家們稱它們爲光量子 今天我們稱它們爲光子 直到每個光子既具有粒子衝動和能量的特性 又具有波的特性 頻率和長度 這種二重性構成了光的第一種超能力 這使得光子能夠作爲波在瞬間覆蓋巨大的距離 並作爲粒子與周圍世界進行物理互動 例如它可以使電子從原子中脫離 從而爲太陽能電池充電或參與光合作用 但是光子還藏着什麼其他超能力呢 光是人眼能夠感知的電磁輻射 在太陽的核心誕生的氫原子相互碰撞 激發強大的能量爆發 這種光線可能會殺死我們 因爲這是伽馬輻射宇宙中最強的輻射 這些輻射的強度比可見光高出數百萬倍 然而此時它們無法離開太陽 通常情況下 離開核心的新生光子需要至少一百年 才能穿過厚厚的氫原子層 在輻射轉移區 它損失了一部分能量 那裏光子與帶電的等離子體顆粒碰撞 推動其向表面移動 但它以X射線的形式到達表面 在那裏光子平均花費大約17萬年 儘管有些可以待上數百萬年 然後光子進入對流區 延伸到20萬公里 光子撞擊等離子體原子 使它們加熱到沸點 但是原子只是吸收光子 並將其推向表面 這條路大約需要一週的時間 在這個過程中 光子冷卻到足夠的程度 變成可見光 只有在經歷了這一切之後 它們才準備離開太陽表面 單個光子從光球層逃逸 最終進入太空 在那裏可以存活數十億年 也就是說它幾乎是永生的 而這就是它的另一個超能力 但那些朝向地球旅行的光子 有着不同的命運 它們還有八分鐘 來到我們的星球並死亡 進入建築物的光子 會在其內部環繞飛行 不斷撞擊表面 當它完全失去能量時 內部的一個物體將會完全吸收 正是由於這個過程 物體在陽光下變得溫暖 根據熱力學第一定律 能量無法被創造或毀滅 它只是將一種過程 轉換成另一種過程 當我們打開房間裏的燈時 萬億個光子充滿了整個房間 絕大部分被物體吸收 一部分光從表面反射 這是我們能夠在燈亮着的時候 看到周圍的事物 房間裏接收着恆定的光子流 所有這些從燈發射光子 到被反射和吸收的過程 然而不僅是普通的光源會輻射光子 人類也會 一些生物體發光的能力 稱爲生物發光 2009年 日本科學家決定調查人類 是否也擁有這種超能力 他們的實驗成果發表在 《PLOSONE》期刊上 研究人員把志願者 放在一個黑暗的房間裏 配備了高度靈敏的相機 在那裏 他們記錄了光亮度 並發現其亮度並不恆定 人們在早上10點時 發光最微弱 而在下午4點時最爲明亮 與身體代謝相關的科學家 然而他們並未揭示 光亮與體溫之間的任何關聯 我們的發光是絕對冷的 與此同時 我們的臉部比身體其他部位 稍微發光一些 然而科學家們尚未找到 導致該效應的具體生化過程 我們的發光強度 大約比人眼可以檢測到的 弱1000倍 它的設計並不包括 感知超過4到800兆赫的光波 這就是爲什麼人類看不到 紅外線和紫外線 它們的波長遠超過這些極限 因此光譜的較大部分 對人類來說是不可見的 但對地球上所有生命 卻有着巨大的影響 這是光的另一個超能力 但我們能否控制 光子所擁有的超能力呢 可能可以 但我們該如何捕捉它們呢 問題在於光子是沒有質量的粒子 這就是讓它飛速旅行的超能力 光在真空中傳播的速度 約爲每秒30萬公里 光可以在不到七分之一秒的時間內 繞地球一圈 根據阿爾伯特·愛因斯坦的特殊相對論 沒有任何東西能以更快的速度運動 同時當光子移動時 它的時間停止 如果我們能夠利用這種超能力 把光速應用於太空飛行 會怎樣呢 如果有人能夠以光子的速度移動 那麼對他們而言 時間會比地球上的觀察者流逝得慢 以這樣的速度 宇宙將呈現出不同的樣貌 靠近的人所看到的星星會呈現藍色 而在他們身後留着的星星 則會呈現紅色 其原因是前方星星的光波會變短 使得物體看起來呈現藍色 而後面的星星發出的光波 則延伸變爲紅色 觸發極端的多普勒效應 但宇航員幾乎沒有時間 欣賞閒窗外的景色 因爲在其他情況下 微不足道的氫原子在如此高速下 變成了一堆危險的粒子 與飛船相撞 瞬間會使其升溫到驚人的溫度 理論上 任何由特殊材料製成的護盾和薄片 都可以防止宇宙飛船 和裏面的人被烤焦 從而解決這個問題 但無論風險如何 2020年 哈佛的研究人員宣佈了一種方法 可以幫助星際飛船接近光速 他們建議利用超新星爆發 要獲取它的能量 你需要一個太陽帆或磁帆 來幫助創造不需要燃料的壓力和推進 裝有帆的航天器 重量不到每平方米半克 必須放置在超新星一百萬公里處 帆必須由一種可摺疊的高反射材料製成 然而以這種方式 我們只能達到光速的十分之一 但即便是光子本身 並不總是以最大速度運動 除非在真空中 否則它們在通過某些材料時會減速 某種環境減緩光線的程度 就是它的折射率 例如在地球的大氣中 光的速度幾乎與在真空中一樣 僅僅減慢了萬分之三的光速 但經過像鑽石這樣的密集材料時 它的速度幾乎減慢一半 然而它在寶石中 仍然以超過十萬公里每秒的速度穿行 所以光子可以移動得比光速慢 但在所有物理法則的限制下 它們能否移動得更快 不 一旦達到光速 時間就停止 對於光子二來說 它的整個生命就是一個瞬間 一般來說 想讓它移動得更快 就像試圖讓一輛靜止的車走得更慢一樣 但來自加利福尼亞 勞倫斯利福莫爾國家實驗室 和紐約羅切斯特大學的研究人員 進行了實驗 證明這仍然是可能的 他們確信光具有某些特性 使其能夠繞過甚至不可侵犯的規則 科學家成功超過了光速百分之三十 他們將光子放入熱等離子體中 在那裏 光子相互撞擊 產生的衝動 形成以群速度移動的波 研究人員使用激光從氫和氦離子流中 撕扯出電子 這樣一來 他們改變了第二個光源發送的脈衝的群速度 這又是光的另一種悖論超能力 甚至可以打破物理法則 但是如果科學家能幫助光子加速 這是否意味着它可以獲得超能力 如果早期的科學家只發現了光子的超能力 那麼今天他們可以賦予它新的能力 並利用這些能力實現有利於人類的目標 2016年 澳大利亞科學家在自然物理學上發表了一份報告 研究人員做了一件不可能的事情 他們真的讓光線凍結了 科學家們向超冷原子雲中發射了紅外極光 原子吸收了一部分光子 而另一部分則被困在雲中凍結 得益於這項研究 量子計算機有望像智能手機一樣普及 但是如果我們學會的不僅是停止光子 還能控制它的運動呢 來自達姆斯塔特大學的研究團隊 成功地將一個光子停止 並保持靜止達60秒 他們在物理評論快報上分享了他們的研究結果 他們使用了一種完全不透明的晶體 他們將其冷卻到極低的溫度 然後用激光對其進行照射 以觸發兩種狀態的量子疊加 並使其對特定平帶變得透明 然後他們用另一束激光對準已經透明的晶體 在輻射的過程中 他們關閉了晶體的透明性 激光的光線被困住了 利用相同的方法 科學家成功地保持了一個三線光圖像 想象一下你把手電筒照進一個房間 然後關上門 當你稍後打開另一個門時 光線就衝了出來 被困的時間可能因晶體類型而異 目前主要的問題是它在室溫下無法工作 操控光的運動能力 是開發量子路由器的一大步 只有他們才能幫助創建 絕對防黑客和超快的量子互聯網 但與此同時 科學家們仍在繼續實驗光的其他特性 來自烏特勒芝大學 和維也納理工大學的研究人員聲稱 他們創造了可以穿透不透明材料的獨特光波 他們將研究結果發表在自然光子學上 科學家們創造了在不透明環境中 幾乎沒有改變的光束 僅略微減弱 光束穿過障礙物 另一邊出現光的圖案 形狀與沒有障礙物時完全相同 作爲一種抑制的光散射環境 科學家們使用了氧化鑫和不透明的白色粉末 在實驗過程中 科學家們通過粉末傳輸各種特定的光信號 並研究它們如何最終到達放置在其後面的傳感器 我們真的很快就能透過牆壁看到裏面嗎 這樣的發現打破了所有想象的界限 在醫學和生物研究中 他們將引領一場真正的革命 醫院使用X射線來觀察體內 因爲由於更大的波長 它們可以穿透我們的皮膚 將光聚焦到物體內部特定點的能力 開啓了全新的可能性 通過這種方法 我們甚至可以觀察細胞內部 此外 研究人員繼續尋找替代光源 而他們已經學會了如何從聲音中提取它 這被稱爲聲質光現象 然而目前它只能在液體中有效 聲光發射的本質是在液體中產生微小氣泡 這些氣泡會快速崩潰 當氣泡快速坍縮時 會以熱和光的形式釋放能量 因此周圍的液體瞬間閃耀出明亮的光芒 太陽發光過程中的溫度 可以達到數萬攝氏度 這比太陽表面還要熱 這種效應最早在20世紀30年代被發現 但直到20世紀80年代 研究人員纔開始深入研究它 從那時起科學家們發現 太陽發光現象不僅僅存在於水中 還存在於其他液體中 包括某些氣體 與此同時少量的能量 可以產生相當強大的光束 隨着這項研究的進展 我們很快就可能忘記傳統的燈泡 用我們最喜歡的音樂照亮家居 多虧了光子的超能力 以及研究它們的科學家 即使是昨天的科幻小說 也正在變成今天的現實 一家加拿大公司 Hyperstealth Biotechnology開發 並獲得專利的一種薄而靈活的材料 他們聲稱它能實現量子隱形 這種類似塑料的量子隱身材料 由微觀透鏡組成 穿透後光束會在其中發生散射 因此位於材料後方一定距離的所有物體 都會變得不可見 它不僅在可見光譜中繞過物體的光束 也在紫外線和紅外線中如此 這使得它對肉眼、夜視、設備 和熱成像一步可見 如果我們已經知道如何隱形 那麼光速移動和時間旅行就在不遠處 你怎麼看