隐形斗篷和广义相对论

最近几年,电磁隐形斗篷的研究很热门。

我完全是外行,去年早些时候,葛墨林老师给了我几篇文献,我看了一下。电磁隐形斗篷是利用介质的特殊介电常数(一般是各向异性的,所以介电常数是一个矩阵),使得电磁波通过该介质时,表面上看起来没有通常的反射、折射和衍射等效应,如同那里根本没有任何东西一样。这样,一个人或一个物体披上了这样的斗篷,就像穿上了隐身衣,看不见了。

电磁斗篷由于介质的关系,一般不会对所有频段都是隐形的。不但有很多理论研究,也有了不少相关的实验。

最近,葛老师及其学生写了一篇论文,指出可以用广义相对论的形式理论研究电磁隐形斗篷。我不知道他们的文章是否已经发表,所以就不贴出他们的文章了。他们的研究提出了一个有趣的问题,就是,宇宙间的介质的介电常数是否影响了光的传播,从而导致表面的宇宙学效应?例如宇宙加速膨胀。稍微思考一下,这种效应应该不会影响暗物质的确认,因为暗物质主要是靠引力透镜(可能被介质的介电常数影响)和星系及星系团的旋转曲线(不会被介电常数影响)决定的。

与葛老师等人研究呼应的是,最近Berkeley实验室的Xiang Zhang用光学材料来研究广义相对论效应,例如黑洞和引力透镜效应。

我抄录一个博客的部分内容如下:

Zhang, a principal investigator with Berkeley Lab’s Materials Sciences Division and director of UC Berkeley’s Nano-scale Science and Engineering Center, has been one of the pioneers in the creation of artificial optical materials. Last year, he and his research group made headlines when they fashioned unique metamaterials, composites of metals and dielectrics, that were able to bend light backwards (Invisibility Cloak Gets A Nanomaterial Boost), a property known as a negative refraction and unprecedented in nature.

More recently, he and his group fashioned a “carpet cloak” from nanostructured silicon that concealed the presence of objects placed under it from optical detection. These efforts not only suggested that true invisibility materials are within reach, Zhang said, but also represented a major step towards transformation optics that would “open the door to manipulating light at will.”

Now he and his research group have demonstrated that a new class of metamaterials called “continuous-index photon traps” or CIPTs can serve as broadband and radiation-free “perfect” optical cavities. As such, CIPTs can control, slow and trap light in a manner similar to such celestial phenomena as black holes, strange attractors and gravitational lenses. This equivalence between the motion of the stars in curved spacetime and propagation of the light in optical metamaterials engineered in a laboratory is referred to as the “optical-mechanical analogy.”

Zhang says that such specially designed metamaterials can be valuable tools for studying the motion of massive celestial bodies in gravitational potentials under a controlled laboratory environment. Observations of such celestial phenomena by astronomers can sometimes take a century of waiting.

“If we twist our optical metamaterial space into new coordinates, the light that travels in straight lines in real space will be curved in the twisted space of our transformational optics,” says Zhang. “This is very similar to what happens to starlight when it moves through a gravitational potential and experiences curved spacetime. This analogue between classic electromagnetism and general relativity, may enable us to use optical metamaterials to study relativity phenomena such as gravitational lens.”

更多的消息见:

Can You Test Einstein’s Theory Of Relativity In The Lab?

Invisibility Cloak Gets A Nanomaterial Boost

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关于 李淼

中国科学院理论物理研究所研究员
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隐形斗篷和广义相对论》有 39 条评论

  1. 仙人掌 说:

    哈哈,沙发,抢了再看

  2. 品红 说:

    宇宙间的介质的介电常数是否影响了光的传播,从而导致表面的宇宙学效应?例如宇宙加速膨胀。——博主

    那是可定的啦。但是我认为所谓的宇宙加速膨胀是没有根据的,那只是光谱红移的宇宙学效应,不一定对应膨胀这样的机制。相反我认为是光频率的衰竭性质?

  3. 有心人 说:

    Miniworkshop at KITP, UCSB

    There is a four-week miniworkshop going on at KITP, UCSB until
    the end of this week. The title of the program is “Quantum
    Criticality and the AdS/CFT Correspondence”. This workshop is
    truly interdisciplinary: Participants include both condensed
    matter theorists as well as particle/string theorists. Even some
    experimentalists and theorists in another program, “High Tc
    Superconductivity”, occasionally attended the talks in this
    miniworkshop. The majority of the speakers are very young, at
    the beginning of their professional career. You can see young
    string theorists are eager to learn condensed matter physics,
    while young condensed matter theorists to learn the
    AdS/CFT correspondence.

    The program covers a wide range of topics in critical phenomena
    in various branches of physics. For example, not only the
    phase diagrams in condensed matter materials, such as the
    quantum Hall systems, high Tc superconductors and spin liquids,
    but also the search of a possible QCD critical point in
    quark-gluon fluids, have attracted a lot of attention of the
    audience. Interestingly, non-Fermi liquids, a hot topic since
    mid-90′s in the study of high Tc superconducting cuperates, is
    now also a hot topic under study in the string theory community.
    The talk given by Hong Liu (a string theorists in MIT) on the
    progress made by him and collaborators on the emergent
    non-Fermi liquids from the gravity duals is one among the
    highlights of the program. Other talks which have drawn much attention include Dam Son’s (on non-relativistic conformal invariance), Sachdev’s (on quantum critical transport), Rajagopal’s (on search for the QCD cirtical point), Lee’s (on critical spin liquids), Qi’s (on topological insulators) and Horava’s (on quantum gravity gravity with anisotropic scaling) etc. Polchinski’s talk, addressing the Frequently Asked Question, Which CFT’s (or QFT’s) have a gravity dual (calculable or in principle), has also drawn a great deal of attention.

    The success of this workshop reflects a new trend in theoretical physics, which is worth our attention, namely the interplay between particle/string theory and condensed matter theory. The graduate education in theoretical physics should encourage interactions between young particle and condensed matter physicists, and should provide both particle and condensed matter background education to students who want to do research on the frontier.

    The program link is

    http://online.itp.ucsb.edu/online/adscmt_m09/

  4. 有心人 说:

    miniworkshop at KITP, UCSB (continued)

    I forgot to mention that the AdS/CFT correspondence is becoming a powerful (and hopefully useful) tool to tackling strongly
    coupled /correlated critical systems and quantum phase transitions, using gravity duals.

  5. Shi Zonghua 说:

    宇宙学的观测基础恐怕还远远不够,其理论结果的确定性也就大打折扣了,所以宇宙学还不是黄金时代,仅个人感觉。

  6. 长歌 说:

    李老师好:好久不来,请个安:)另外,李老师,现在我学的是流体力学,无意中发现里面的标度律竟然和重整群有关,我想请老师推荐本讲重整群的书,内容不是纯粹的量子场论等等,涉及范围比较广的那种。另外还想李老师推荐本路径积分同样类型的书,因为我始终觉得路径积分的方法可能在流体力学上有大用处。谢谢^_^

  7. 歪鸟 说:

    打卡上课。

  8. 品红 说:

    感谢有心人分享视频
    有没有初阶一点的?

  9. 李淼 说:

    有心人:

    谢谢。

    Shi Zonghua:

    耐心。

    长歌:

    重正化群,我还是觉得Wilson那篇review好。

  10. wzh 说:

    metamaterial真是越来越火啊~~~

  11. tongchen 说:

    最近,葛老师及其学生写了一篇论文,指出可以用广义相对论的形式理论研究电磁隐形斗篷。
    ________________________________________________

    我记得当年跟阮老师学做研究的时候(应该是在大三的时候吧),发展了一个对付非均匀并且各向异性的介质中的电动力学的形式体系。主要的点是,按照极化张量的三个本征向量在空间各个点上建立正交标架,然后在这样的标架中写出Maxwell 方程。在我们的形式框架中也出现协变导数啊联络啊等等东西。这项研究我们没有写出来过,主要是当时觉得太一般化并且也太形式化了,找不到任何具体的运用。

    但这件事,我今天都还有些印象。因为结果很明确,并且那时候我刚刚自学了chern先生书关于联络的那一章,很快就找到了运用,当时也还是觉得很自豪的。

  12. 长歌 说:

    谢谢李老师指点:)这次号称几百年难见的日食,我家也处于这次全日食带中,看日食的时候突然想起爱丁顿当年验证广义相对论的观测,一晃已经90年过了,当年的诸位大师也早已魂归天堂,真是让人感慨啊。

  13. 长歌 说:

    对了,恕我冒昧,不知道李老师能否将Wilson的那篇论文帖上来,或者提供一下他是发哪上面的等等的一些线索,我一时间还真找不到:)

  14. isospin 说:

    Wilson的那篇论文,
    http://prola.aps.org/abstract/RMP/v55/i3/p583_1,
    or http://prola.aps.org/abstract/RMP/v47/i4/p773_1?
    李老师能帮我解释一下什么是’Coulomb branch”, 或者推荐在什么书里解释过吗,我查不到,谢谢。

  15. 李淼 说:

    isospin:

    Coulomb branch指的是只有U(1)相互作用的分支。

  16. 花茶 说:

    学习了,呵呵。

  17. zo 说:

    to 长歌

    The Renormalization group and the epsilon expansion.
    K.G. Wilson (Princeton, Inst. Advanced Study & Cornell U., LNS) , John B. Kogut (Princeton, Inst. Advanced Study) . Jul 1973. 126pp.
    Published in Phys.Rept.12:75-200,1974.

    TOPCITE = 1000+
    LaTeX(US) | LaTeX(EU) | Harvmac | BibTeX | Keywords | Cited 1776 [doi:10.1016/0370-1573(74)90023-4 ]

  18. lvdou 说:

    吼吼,哈里波特

  19. 李淼 说:

    lvdou:

    的确,哈利波特里的东西很可能被实现。

  20. 歪鸟 说:

    是不是可以理解为,光通过这种介质的时候,从介质表面“爬过去”,然后按照原来的方向继续传播?

  21. 歪鸟 说:

    光路就像放有完全抗磁体的磁场那样

  22. 李淼 说:

    歪鸟:

    基本如此,但光也可以进入介质内部。

  23. tongchen 说:

    李老师好
    您现在的办公室还在老楼三楼吗?
    前几天碰到您的一个学生,他说您出差了
    我现在到了老楼二楼
    这下好了,以后有什么问题都可以很方便地当面直接向您请教了。

  24. 李淼 说:

    tongchen:

    是的,我在三楼。

  25. 杨波 说:

    李老师,您相信Andrei Okounkov不能解出1到500的和吗。我们的媒体反奥数走到啦一个极端。

  26. 李淼 说:

    杨波:

    不相信。

  27. 长歌 说:

    谢谢iso和zo两位先生提供的信息:)

  28. 职立军 说:

    李先生:
       您好!
       期望和您沟通拙文《四维最大对称宇宙的涨落演化》。
       网上难排版,请到我的博客来看。
       谢谢!
          

    附:《四维最大对称宇宙的涨落演化》的摘要及提纲

    摘要 宇观不是宇宙,动态宇观是静态宇宙的组成部
    分,宇宙是静态的四维最大对称的,其局域的涨落引
    发了宇观的结构演化和化学演化,基于这一推理本文
    解释了从宇观到太阳的一系列演化现象。

    提纲:

            1 引言

            2 零和原理与零和假设
    2.1 爱因斯坦场方程的SCHWARZSCHILD局限
    2.2 对爱因斯坦场方程的修正
    2.3 “干水”和没有势能的宇宙
    2.4 引力势能与布满负物质的MINKOWSKI时空
    2.5 零和原理与零和假设

            3 静态宇宙和动态宇观
    3.1 非虚空爱因斯坦静态宇宙的矛盾
    3.2 零和原理下的静态宇宙
    3.3 零和原理下的动态宇观
    3.4 ΔΡJ是描述各种尺度的膨胀、坍缩和静态现象的内在变量

            4 宇宙的结构演化
    4.1 坍缩时标.
    4.2 第一代恒星与微波背景
    4.3 空洞与片状结构的形成
    4.4 片状结构的碎裂与星系的演化

            5 宇宙的化学演化
    5.1 “小型大爆炸”对星系团化学演化的影响
    5.2 并合决定银河系的化学演化和运动结构
    5.3 云环的氦丰度和金属丰度增加的比例
    5.4 恒星对星际介质的氦丰度的影响
    5.5 太阳活动对太阳表层氦丰度的影响

            6 结语
            
    参考文献

  29. 阿Q 说:

    我觉得,在实用方面,研究隐身衣还不如研究隐形战斗机。
    在科学研究方面,竟然把广义相对论中的技术引进了半经典光学,新成果肯定会有的,但是我怀疑这种方法是否能做的很深?
    若是做的不深,则看上去像是绣花枕头,就像所谓的分析热力学;若是做的很深,我怀疑这种可能性会很小,毕竟广义相对论是一块硬骨头,不是那摩容易被消化的。
    所以,这种方法可用,但不可大用。

  30. eft 说:

    to tongcen,
    是chen tong 吗? 去理论所了? 近况如何?

  31. 李淼 说:

    阿Q:

    所谓隐形斗篷,只是一个名字,其实就是研究隐形材料。

  32. 阿Q 说:

    我在百度上找到的似乎和淼叔说的不大一样,淼叔似乎认定了这是一个电磁学问题,但我所理解的是这是一个波动光学问题。:

    [编辑本段]实现原理
      将斗篷周围的光线弯曲,如同小溪中的石头一样。,斗篷将会使自身以及斗篷内部的物体从空气中隐藏起来.(大卫科波菲尔的魔术不知道是不是这个原理)
      Vladminr Shalaev教授说,实现隐形要创造出一种人工原子——”Meta-atoms”(中继原子),它小于可见光的波长(可见光的波长范围在0.77~0.39微米之间)。他在”科学”杂志中发表的研究报告中曾写道,将很多”微型“的针头插在圆形的物体上,形状类似一个圆形的牙刷,这些微型的针头能减少折射或者将光线的扭曲降到零,物体这个时候就是隐形状态了.

  33. 李淼 说:

    阿Q:

    光也是电磁波,可以研究不同波段的电磁斗篷。

  34. 梨园世家 说:

    李老师:

    有一点我不太明白:您在文中提到隐形斗篷没有光的折射效应,是指光透过斗篷而完全不弯曲(折射率为0)还是光根本不能透过斗篷?如果是后者的话,我们看到的应该是一团黑色的物体(如黑洞一样),而不是透明的,因为光到达斗篷表面后就会消失。不知道我这样理解是否正确?谢谢!

  35. 李淼 说:

    梨园世家:

    没有折射指的是看上去没有折射,就像物体完全透明,虽然光线的路径其实很复杂。

  36. 皮皮 说:

    我有一篇關於隱形斗篷的通俗舊文章, 提供給大家參考:

    「隱形斗篷」—從幻想到現實

    可在以下網址看到:

    http://www.blogtw.com/blog.php?id=393805
    http://tw.myblog.yahoo.com/pgluan2005/article?mid=1492&prev=537&l=f&fid=6

  37. 李淼 说:

    皮皮:

    谢谢。

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