反激光”功能為手機充電?
圖片是一項特斯拉線圈產(chǎn)生電弧的早期試驗,它能在開闊的空間內(nèi)發(fā)射能量,不幸的是其無法有效地為手機充電。
(圖片:Airarcs / CC BY-SA 3.0)
科學家們找到了一種在任何空間內(nèi)完美發(fā)射能量的方法,這要歸功于他們稱之為 “反激光”的科幻裝置。
這個想法很簡單:就像激光以整齊有序的方式發(fā)射光粒子或光子一樣,反激光以相反的順序一個接一個地吸收光子。長期以來,研究人員一直猜測,這樣的設(shè)備可能會使電線和充電電纜成為歷史,讓人們可以在不插電源的情況下,通過空間將能量傳輸?shù)焦P記本電腦或手機上,并為其供電。但是,盡管之前已經(jīng)測試了基本的反激光,但現(xiàn)實世界并不像激光瞄準實驗室固定接收器那樣整齊有序。電子設(shè)備四處移動,物體進入障礙物,墻壁以意想不到的方式反射能量。實驗中展示的新型抗激光技術(shù)可以解釋所有這些情況,它接收以不可預測的模式在空間周圍發(fā)射的散射能量,仍然可以接收99.996%的發(fā)射功率。
他們使用方法的正式術(shù)語是“相干完美吸收”(CPA)。 “相干完美吸收”用一臺機器在空間內(nèi)傳送電源,而另一臺(“反激光”)會將其吸回。研究人員在11月17日發(fā)表在《自然通訊》上的一篇論文中寫道,過去的“相干完美吸收”實驗令人興奮,但有一個基本限制:時間方向。這些實驗僅在時間可以像消逝一樣容易倒流的情況下起作用,而這種情況在我們的日常生活中很少存在。
反激光裝置最簡單的模型是,激光筆將光子一個接一個地發(fā)射到接收器中,使其將光子吞噬,無論你快進還是倒退播放其動作磁帶,圖像看起來都基本相同:光子從一個裝置中彈出,穿越太空,進入另一個裝置。物理學術(shù)語中,這樣的設(shè)置被稱為具有“時間反轉(zhuǎn)對稱性”。時間反轉(zhuǎn)對稱性只出現(xiàn)在沒有太多熵的系統(tǒng)中,或者系統(tǒng)陷入無序的固有傾向中。
到目前為止,即使是最復雜的“相干完美吸收”實驗也有時間反轉(zhuǎn)對稱性。有些實驗比激光筆瞄準接收器還要復雜。但是,即使是復雜的項目,也可以將其設(shè)置為逆轉(zhuǎn)過程,使其具有時間反轉(zhuǎn)對稱性。
(下面是一個復雜事件如何成為時間反轉(zhuǎn)對稱性的示例:想象一下有卷磁帶,記錄一個業(yè)余愛好者從整齊有序的箱子中撿起樂高積木,用它們來建造一個埃菲爾鐵塔模型。結(jié)果看起來可能很復雜,但是磁帶會記錄每一塊積木的去向,所以倒放磁帶就會看到業(yè)余愛好者將這些積木拆開并重新組裝。)
但在這項新的研究中,研究人員利用磁場強烈地撞擊光子,以使其喪失時間反轉(zhuǎn)對稱性。傳遞能量的過程中發(fā)射光子就像攪拌湯一樣:它無法逆向工作。(想像一下不去攪拌湯)但是設(shè)備仍然可以通電。
研究人員在論文中寫道,這“證明了‘相干完美吸收’遠遠超出了其最初作為‘時間反轉(zhuǎn)激光器’的概念,這暗示著它有一天可能會在現(xiàn)實世界中得到實際應(yīng)用。這是因為現(xiàn)實世界不像做時間可逆實驗的實驗室那么整潔,而是混亂且不可預測的,而且從長遠來看永遠也不會如此。為了使“相干完美吸收”能夠在那些極具挑戰(zhàn)的條件下工作,它必須要能夠應(yīng)對。
研究人員在兩個實驗裝置中都使用了微波能,從而實現(xiàn)了這種非時間反轉(zhuǎn)“相干完美吸收”。第一個是光子必須導航才能到達接收器的“迷宮”電線。第二個是一個小的,不規(guī)則的“黃銅腔”,中間有一個接收器,光子在散射并穿過空腔后到達。
為了實現(xiàn)這一目標,研究人員發(fā)射了不同特性的微波,并測試了哪種頻率、振幅和相位的組合(任何電磁波的三種特征)即使是在穿過磁場、迷宮或不規(guī)則的開闊空間之后,最有可能落在接收器上并被吸收。在每一種情況下,他們都確定了一個理想的微波發(fā)射器“調(diào)諧”,使大部分微波被吸收(迷宮中為99.999%,開闊空間中為99.996%)。在實際應(yīng)用中(例如你的客廳),發(fā)射器會測試并重新測試不同的頻率、振幅和相位,以便將光子傳輸?shù)浇邮掌鳌?/p>
該技術(shù)有三個主要的潛在應(yīng)用。研究人員寫道,第一種是遠距離無線能量傳輸。 (向插入式筆記本電腦說再見)另一種是傳感設(shè)備,可以檢測光子散射在任何空間的細微變化。 (想象一下,一個監(jiān)控攝像頭可以感覺到入侵者在空間中移動。)
第三種是消息傳遞系統(tǒng),它可以安全地將信息傳輸?shù)诫[藏的接收者,通過“相干完美吸收”技術(shù)發(fā)送的信號可以使用不斷變化的調(diào)諧數(shù)字作為某種密碼來加密數(shù)據(jù)。只有接收方或知道接收方確切行為的人才能解密該消息。
這樣的技術(shù)進入到我們的現(xiàn)實生活還需要很長的一段時間。但研究人員寫道,這項實驗表明,它們存在可行性。
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