广告

核心观点:物理学家在时间中开辟新领域

六年前,物理学家首次成功地将一个物体隐藏在隐形斗篷后面。如今,他们正在隐匿实际发生的事件。

Google NewsGoogle News Preferred Source
iStockphoto

新闻简报

注册我们的电子邮件新闻简报,获取最新的科学新闻

注册

物理学家们通常会把记者搞糊涂,但这一次情况却反了过来。2010年秋季,康奈尔大学的亚历山大·盖塔正在他的办公室里,一位记者打来电话,想听听他对一篇发表在《光学杂志》(Journal of Optics)上的奇特新论文的看法:他认为,制造一个时间斗篷——一种能让事件变得无法探测的装置——是否可能?

广告

盖塔猝不及防。他还在研究隐形斗篷,这是一个在2006年成为现实的疯狂想法,当时物理学家们证明,一类合成材料可以将光线完全弯曲围绕一个物体。(想象一下溪流中的水绕过一块石头。)由于没有光线从物体上反射出来,它就会消失。

但制造一个时间斗篷——不仅仅是隐藏一个物体,而是隐藏一个事件——更是雄心勃勃。时间斗篷不仅仅是重新定向照射到物体上的光线,它还必须偏转物体在空间移动时受到的所有光束的影响。时间斗篷本质上会创造一个信息完全消失的时间间隔。

尽管盖塔在接到记者的电话之前从未听说过时间斗篷的研究,但记者把论文发过来后,他就立刻投入了进去。论文的作者是伦敦帝国理工学院的理论物理学家马丁·麦考尔,他提出将一束光分成两段,以不同的速度移动。当一段光领先于另一段时,它们之间就会出现一个完全黑暗的间隙。麦考尔推断,任何发生在这个间隙内的事件都将无法被探测到,因为没有光线会散射。然后,为了完成这个技巧,麦考尔提出将这两段光重新合并,这样当光束到达观察者时,就无法检测到这个间隙曾经存在过。

麦考尔将制造这种装置的任务留给了他的实验同事们,他估计需要5到10年才能完成。盖塔立刻知道他可以更快地完成这项任务。自2007年以来,他一直在开发一种名为时间透镜的装置,它可以改变光束的速度。在真空中,光速是恒定的。但是,当光线穿过玻璃或水等材料,或者遇到另一束光时,速度会发生变化。时间透镜结合了这两种技术:它涉及在一束光穿过玻璃纤维时用激光照射它,从而可以显著控制光束的速度。

盖塔曾设想使用时间透镜来减慢光速,以便测量诸如受控爆炸等转瞬即逝的现象,这些现象发生得太快,无法进行精确的读数。但在阅读了麦考尔的论文后,他意识到他也可以用他的透镜来加速一部分光束,减慢另一部分,从而打开并关闭麦考尔所描述的黑暗间隙。

在接下来的三个月里,盖塔和他的团队组装了一个看起来像巨大意大利面碗的光纤混乱集合,沿途连接着激光和时间透镜。然后,在2011年4月的一天,盖塔将一束光送入光纤的一端,并穿过一个时间透镜,将光束分成两部分。当光束的前导部分超前时,时间间隙扩大了。当碎片化的光束传播了一公里时,黑暗间隙达到了15万亿分之一秒。这时,团队通过射入一束激光来引入一个标记事件。

通常情况下,激光会明显改变原始光束的颜色。但这个隐蔽装置完美地起到了作用:因为激光穿过了没有光线的间隙,所以光束的颜色没有改变。在穿过另一个加速了较慢部分并减慢了较快部分的时间透镜后,重新合并的光束以整体形式到达终点,并且与开始时具有相同的特性。独立观察者将无法得知激光曾经被发射过。

这是一个在智力上令人振奋的成就,但15万亿分之一秒的黑暗间隙太小了,以至于盖塔提交他的研究成果的期刊《自然》(Nature)的编辑们并不相信他的说法。他们要求他制造一个大约大三倍的间隙,以便能够被灵敏的光传感器检测到。

《自然》杂志的要求需要设备升级。在接下来的48小时里,盖塔的团队搜遍了康奈尔大学物理系大楼,寻找他们需要的放大器来提高时间透镜的功率。该项目的首席研究员莫蒂·弗里德曼说:“我们在周末做的,所以没有人会因为打扰他们的实验而生气。”在从六个实验室借来设备后,他们终于获得了必要的功率。

广告

在对设备进行三周的微调后,盖塔的团队准备将另一束光送入光纤。这次,升级后的时间透镜打开了一个宽度达40万亿分之一秒的间隙,光传感器证实激光已被隐蔽。《自然》杂志迅速批准了该团队的论文,该论文于一月印刷出版。

盖塔的下一个目标是将间隙扩大到十亿分之一秒,这将需要大约20倍的功率。尽管时间很短,但这样时间尺度的间隙可能对依赖光速通过光纤电缆传输数据流的科技行业产生直接影响。例如,在iPad上流媒体播放视频的人们可以使用时间斗篷在数据流中创建一个裂缝,并在不中断视频的情况下下载文件。时间斗篷还可以让反恐特工在不被发现的情况下监视敌方通信。特工可以减慢数据流的速度,记录信息,然后将其加速,这样发送者或接收者都无法知道他们被拦截了。

广告

人类尺度的时间斗篷将产生更深远的影响。人们不禁要问,银行抢劫犯和恐怖分子是否会利用这项技术来隐藏他们的活动(毕竟,美国国防部高级研究计划局部分资助了该项目)。他们不仅能隐藏他们正在做什么,还能隐藏他们正在做任何事情。

盖塔说,那些不怀好意的人还得再等一会儿。“这只是第一步。在你能创造出一个能隐藏人的完全空间时间斗篷之前,还需要再走10万步,”他说。“不过话说回来,50年前晶体管发明的时候,我想没人能想到像iPhone这样的东西。我们不知道这会把我们带到哪里。”


隐形斗篷时间线

研究人员刚刚开始开发隐藏事件的技术,但隐藏物体的艺术已经相当先进。下面是隐形斗篷发展的一些里程碑。

广告

2006年杜克大学的物理学家们制造了一个由合成金属制成的小型斗篷,它将微波引导绕过一个圆柱体,使其在微波频谱中“隐形”。(微波比光束更容易操纵。)这是第一次成功的隐形实验,但它只在二维中有效——从上面看,圆柱体仍然是可检测的。

2008年加州大学伯克利分校的研究人员创造了一种用天然材料无法弯曲光线的织物。虽然它不是一个隐形斗篷,但这种鱼网状结构表明,光线可以绕过物体隐藏它,使其免受人眼检测。

2010年德国研究人员采取了不同的路线来实现隐形,他们构建了一个可以隐藏一个平坦表面上一个微小凸起的斗篷。当红外光照射到斗篷上时,它会像凸起不存在一样反射回来。

2012年1月德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家们将一个7英寸高的圆柱体隐形,使其在所有角度上都对微波隐藏。该斗篷并没有让波绕过圆柱体,而是抵消了从它上面反射出来的微波。

广告

保持好奇

加入我们的列表

订阅我们的每周科学更新

查看我们的 隐私政策

订阅杂志

订阅可享封面价高达六折优惠 《发现》杂志。

订阅
广告

1篇免费文章