這些物理現(xiàn)象顛覆了我的世界觀，前所未有…（轉(zhuǎn)載）
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變換光學(xué)的基本原理是根據(jù)麥克斯韋方程的空間不變性。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后的差別，所以它就不能分辨有沒有物體在隱身衣之內(nèi)。但是從我們的空間來看，變換前后的空間是完全不一樣的，變換后，空間中有一個”洞“，這個“洞”就可以隱藏物體。
從數(shù)學(xué)上來說，變換前后，在隱身衣外面的麥克斯韋方程的解釋一致。這并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(zhì)的情況。而隱身衣的構(gòu)成恰好是各向異性介質(zhì)。
隱身衣應(yīng)該算是變換光學(xué)帶來的最有意思的東西。第一次從數(shù)學(xué)上證明了隱身衣的可能性。當然還有其他的應(yīng)用。
隱身衣
注意電磁波繞過了一個物體，好像這個物體對于它不存在一樣。
電磁波聚集器
半徑為c的圓圈內(nèi)的電磁波都聚集在半徑為a的圓圈內(nèi)。注意外面的電磁波不受影響。
電磁波轉(zhuǎn)向器
半徑為a的圓圈內(nèi)的場旋轉(zhuǎn)了90°。注意外面的電磁波不受影響。
超散射
在星星外面罩一個”面包圈“，使它看上去放大了幾倍。注意是360°無死角放大，跟放大鏡不一樣。
看不見的波導(dǎo)
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(xué)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。
還有很多別的應(yīng)用，我就不列舉了。通過變換光學(xué)可以自由的操作電磁波，這是跟人們以往的想法是不一樣。
#電磁波通過一個很小的波導(dǎo)隧穿過去
比如這樣，電磁波照理來說在經(jīng)過一個很小的通道時大部分能量會反射回去。但是在這個窄道里填充介電常數(shù)為零的介質(zhì)后，電磁波竟然全部隧穿過來了。這里涉及到折射率為零的材料，電磁波在狹窄的波導(dǎo)里面，以無窮的相速度傳播。
#超透鏡
光學(xué)顯微鏡有衍射極限，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衍射極限，能分辨小于二分之一波長的物體。
從物理上來說，光學(xué)顯微鏡只是采集了傳播波，所以丟失了一部分信息，這部分信息包含在倏逝波里面。
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(shù)衰減。而超透鏡它，能夠?qū)①渴挪ㄞD(zhuǎn)換為傳播波，從而使我們得到倏逝波里面的信息。
#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(xiàn)在都造出來了。一般實現(xiàn)負折射介質(zhì)是采用超材料，當然光子晶體也是可以的。
負折射率材料有很多反直觀的特性，比如逆契倫科夫輻射。
什么是契倫科夫輻射？
契倫科夫輻射一般來說是物體運動速度大于介質(zhì)里面波的傳播速度。這里的波可以是電磁波，聲波，水波等。
所以摩托艇在水面滑行產(chǎn)生的水紋就是契倫科夫輻射。飛機超音速飛行時引發(fā)的音爆也是由于契倫科夫輻射。
在電磁波中：
對于折射率為2的介質(zhì)，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(zhì)，就會產(chǎn)生所謂的契倫科夫輻射。所以應(yīng)該是這樣的：
注意，在這里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，那么很神奇的事情發(fā)生了：
可以看到能量傳播方向跟波的傳播方向正好相反。
還有逆多普勒效應(yīng)，就是電磁波波源離你遠去的時候，你發(fā)現(xiàn)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信息都可以恢復(fù)，沒有衍射極限的問題了，也就是超透鏡。
#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么實現(xiàn)，它是這樣的：
藍色的普通的介質(zhì)，比如介電常數(shù)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(jié)構(gòu)，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，做成波導(dǎo)：
有人問這東西有什么用，波導(dǎo)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(zhì)。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。注意它跟光纖不一樣，光子晶體是在亞波長尺度調(diào)控光波。
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，電磁波都是在金屬波導(dǎo)里面或者在光纖里面，也就是像自來水管一樣，要把水通過壁的阻擋局域在水管里面。
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，這種波存在于水與空氣之間。
對于電磁波，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里面電子的諧振頻率（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(shù)上來說，此時金屬的介電常數(shù)為負數(shù)。
這東西好玩得很，可以做成波導(dǎo)，或者其它光器件。以后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(shù)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。
#拓撲光學(xué)
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(xiàn)在凝聚態(tài)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?zhèn)鳎荒茉谶@種材料里面?zhèn)鳌６以诒砻鎮(zhèn)鲿r，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，它很適合當波導(dǎo)，不用擔心電磁波拐外時帶來的反射問題。就像以前的車道，車有的向前有的向后，很容易發(fā)生交通擁堵。現(xiàn)在我們建成了單行道，或者高速公路（由向前向后兩個單行道構(gòu)成），那么擁堵問題就會減少了。
先上圖↓
顧名思義是讓光走得很慢。其中有個原理是電磁感應(yīng)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(jié)構(gòu)或者材料來構(gòu)建一個二能級系統(tǒng)，即兩個不同的模式，在這個二能級系統(tǒng)中，不同能級或者說模式相互作用，在特定情況下就會產(chǎn)生電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象。
這種現(xiàn)象可以用超材料來實現(xiàn)。一個dark element 在某個頻率點諧振，諧振的品質(zhì)因數(shù)非常高；另一個是bright element 在同一個頻率點諧振，諧振的品質(zhì)因數(shù)比較小。然后它們兩個一疊加，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(jié)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，也就是光停在那里了。當然這其實是從凝聚態(tài)物理引申過來的。真正有趣的可能不在我熟悉的領(lǐng)域。去年科學(xué)家已經(jīng)可以將光停止1分鐘了。
#casimir force及自發(fā)輻射
真空中并不是空無一物（零點能），里面有各種光子產(chǎn)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。由于電磁波在金屬板之間有特定的模式，并且由于兩塊板的作用，一些低頻率的模式不能存在于板之間，也就是說，有部分的光子的漲落別限制了。這就導(dǎo)致板外面的力比板里面的力要強，進而產(chǎn)生casimir力。
另外，范德華力實際上就是casimir力的一種。所以范德華力的也可以用上面的物理來解釋。
另外，真空中的擾動，也是自發(fā)輻射的根本原因。正是由于真空中的擾動，造成了原子中電子能級的變化，從而輻射出光子。
現(xiàn)在科學(xué)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breakthrough都是在刷新人們的世界觀。
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