互动科普

超颖材料可以用来制作隐身衣，但我对用超颖材料模拟引力场更感兴趣。

桌子上的大爆炸

撰文 李淼

我曾写过一篇名为《超颖材料：隐身衣的原料》的专栏，刊登在2010年第1期《环球科学》上。我在文中介绍了“超颖材料”这个发展迅速的领域，还提到建议用超颖材料模拟宇宙的事。

最近，已经有人在实验中用超颖材料模拟宇宙的某些方面。美国马里兰大学电子电脑工程系的斯莫利亚尼诺夫（Smolyaninov）和同事在今年四月份的一篇论文中报道了这个实验，实验涉及到所谓双曲超颖材料。在这种材料中，某个固定频率的光子如同在大爆炸初期的宇宙中传播一样。斯莫利亚尼诺夫甚至建议观察熵的变化，因为宇宙膨胀方向与熵增方向吻合。      如果实验确实观察到熵增了，会给我们带来宇宙大爆炸的一些有趣信息。

超颖材料作为一个既有理论又有实验的领域已经存在十年了。超颖材料就是人工做成的光学材料，它的光学性质不是决定于分子原子结构，而是人工结构。在2000年和2001年，科学家制造出了负折射率材料，这种材料将光折射到与入射光线的同一边。我们在自然界中找不到天然负折射率材料，负折射率材料的出现，标志着超颖材料研究正式成为一个实验科学领域。

材料的光学性质主要由两个参数决定，一个是介电常数，一个是磁化率，这两个常数分别决定了材料中静电和静磁性质，电磁波在材料中如何传播则同时取决于这两个参数。在透明材料中，这两个参数都是正的，而在金这样的材料中，介电常数是负的，但磁化率却是正的。材料的折射率是两个常数乘积的平方根，对于这种材料，折射率是虚数，所以材料是不透明的。前面提到的人工负折射率材料，介电常数和磁化率都是负的。1968年，俄国物理学家维克托·维塞拉戈（Victor Veselago）首次在理论上分析过这种材料，他推出结论：这种材料是透明的，但折射率是负的。当时，还没有人敢于想象我们有一天会制造出这种材料。

研究超颖材料的科学家将很多精力花在建造所谓的隐身材料上，平行光线照射在这种材料上传播路线会弯曲，但出来之后还是变成原来的平行光线，似乎不曾路过任何东西。这种材料当然有很大的军事应用价值，所以人们在构造出很小的只可以应用到微波波段的隐身材料之后，一直致力于构造可见光波段的隐身材料，在过去一年里有一定进展。

作为理论物理学家，我对用超颖材料模拟引力场更感兴趣。既然超颖材料原则上可以任意弯曲光线，那么用这些材料来模拟引力场是很自然的事情，因为根据爱因斯坦的理论，引力就是时空弯曲，在弯曲时空中，光线走最小路径。一般来说，静态时空等价于一个静态引力场。这个等价也仅仅对于电磁波而言，不适用于其他粒子传播，这一点我们需要牢记。

用超颖材料模拟引力场有很多好处，因为有些引力场很极端，例如黑洞，存在光线跑不出来的视界，我们无法靠近天文学中的黑洞仔细研究它。另外，天体形成的引力场在尺度上往往巨大，涉及的时间也很长，如果我们能够在实验室中模拟这些引力场，既省力又省时间。

所以，就有人开始用超颖材料来模拟黑洞。一年半前，我和两位学生则建议用超颖材料来模拟加速膨胀的宇宙。你可能有疑问，前面不是说过只有静态引力场才等价于静态超颖材料么，我们如何用静态材料模拟加速膨胀的宇宙？这里有一个有趣的例子，当宇宙的相对加速度为常数时，确实存在一个角度，从这个角度看这个宇宙是静态的。在这个静态宇宙中，我们有些像居住在一个黑洞中，在宇宙的“边缘”存在一个视界。我们建议用超颖材料来模拟这个静态角度。那时，我们还计算了在这个宇宙中电磁波的零点能，发现它有一个特性非常类似暗能量。如果我们真在实验室中建造成功这种超颖材料，就可以测量这种新的零点能。

斯莫利亚尼诺夫是在我们之后开始把超颖材料用于宇宙学模拟的，他最初的一项工作是建议用超颖材料模拟多元宇宙（平行宇宙）。他研究用超颖材料模拟引力有很长时间了，最初是研究黑洞和虫洞，然后几乎与我们同时建议用超颖材料研究大爆炸宇宙。他的建议与我们很不同，在他的建议中，宇宙在空间上是两维的，而不是三维。

为什么他建议用超颖材料来模拟两维宇宙呢？这和所谓双曲超颖材料有关。在这种材料中，介电常数的一些分量是正的，另一些分量是负的。假定第一个空间方向上的介电常数是负的，那么我们研究偏振沿着这个方向的电场，并称这个电磁波为不平凡波。对于一个固定频率的不平凡波，第一个空间方向看上去就像时间。如果我们让介电常数在第一个方向上变化，那么不平凡波就像在一个随时间变化的引力场中传播，这就是宇宙了。但是，既然第一个方向被看成时间，剩余两维就是空间了。

对于一个固定频率的不平凡波，光在双曲材料中传播有些像一个质量不为零的粒子，该粒子质量与频率成正比。在斯莫利亚尼诺夫等人的实验中，他们将一个径向方向设成第一个方向，这就模拟了大爆炸宇宙。这个实验引起了一些著名物理学家如弦论家Polchinski的关注。

我觉得这个研究方向很有前途，也许人们应该研究一下加速膨胀宇宙以及在加速膨胀宇宙中的零点能。