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如何在时间中隐身

Robert W. Boyd amp; Zhimin Shi 罗切斯特大学光学研究所

摘要：一个能使物体隐身的装置好像并没有那么令人难以置信，研究人员已经证明了一种系统，这种系统可以在时间上隐藏事件。

一个在光学物理中关于时间斗篷的提议及随后的示范令人振奋，它的构造可以使在空间特定区域的任何物体隐形。在这个问题上，Fridman等人通过展示时空斗篷扩展这个概念解释，时空斗篷是一个通过特定的时间窗口隐藏事件发生的设备。

让我们来描述空间斗篷的运作，这个装置就好像由围绕着要隐藏对象的壳状物体组成，用交换光学的方法，这种折射率在材料中变化的方法就是构成的壳状物体被设置成任何入射的光线都会偏转，错过对象从而被隐藏。当光线离开壳状物体。就会好像什么都没有发生按原来的方向运行。

隐形空间的实验发现与光学材料的发展密切相关。人工材料相对那些天然材料有很大不同，它有可控的光学特性。一个典型的例子就是超材料有一个负的折射率，能弯曲光线，使其方向与传统材料中方向相反。

通过目前理论的方法斗篷的概念已经扩展到时间斗篷。这项工作显示通过本地操作光的速度使前面的光加速后面的光减速时间缺口可以在光波中产生。任何发生在作为结果的时间缺口中——里面没有光的存在——监视者就会看不见传输光波。然而，时间缺口在光强度中的存在是一个清楚的有人为干预系统的时间历史的象征。时间缺口可以通过扭转光速的改变被改变，时间缺口可以通过之后的操作被关闭，这种操作与打开时间缺口的方法完全相反。用这种方法，之前加速的光被减速，减速的光被加速。当恢复光到达观测者，观测者观察到的是连续均匀的光，并没有任何迹象表明光发生过变化。

Fridman在他们关于时间斗篷的实验研究中利用了时间透镜和色散介质。要了解时间透镜的原理，我们要先知道传统光学透镜是一种能引起入射光束在空间上收敛或者发散的装置。从数学角度出发，光在时间和空间中传输非常相似，因此透镜的原理可以扩展到时间透镜。

时间透镜修改的是光场的时间分布而不是空间分布。理想的时间透镜可以在不同时间改变光场的颜色。修改的光场随后通过色散介质，在这种介质里不同颜色的光以不同的速度传播，因此从媒介出来有不同的时间延迟。当系统被适当设计，所有颜色的光可以在某一时间点到达给定的空间，类比传统透镜，它们可以被聚焦到同一时间点。

时间透镜^[5]如图1所示，时间透镜是这样一种装置，具有一定的厚度d，当有一束光通过它时，该光束分成速度不同的两部分，随着时间的推移，两束光的距离随之增大，在两束光分别通过距离为d的时间透镜后，两束光产生了一个时间缺口。这种装置起到了一个把事件隐藏起来的效果，称为时间透镜。

Fridman和他的同事利用分裂的时间透镜即微小修改过的时间透镜。这种透镜是由两个半个时间透镜组成，通过末端连接。光通过上半个微调时间透镜经历的颜色改变与下半个时间透镜的改变刚好相反：上半个是颜色朝蓝光改变，下半个则使颜色朝红光改变。在通过色散介质——在作者的研究中是一种光学纤维之后，前半部分的光经历相对绿光为负的时间延迟（加速），然而后半部分的光则经历正的时间延迟（减速）。这使透射光开辟了大约50ps的时间间隔。然后，时间缺口利用类似的方法无缝闭合，这种方法涉及与之前相反的色散介质。

图一：时间斗篷装置在不同时间的运行。a、一束连续的绿光从系统的左边传输到右边，此时，时间透镜没有打开。b、第一个时间透镜打开，光的颜色随着时间发生变化。C、被修改过的光通过色散介质。因为在色散介质蓝移的光光速比原始绿光快，红移的光光速比原始绿光快，时间缺口开始打开。d、时间缺口达到最大，在时间缺口的中心以脉冲形式存在的时间不显示。f、时间缺口慢慢关闭，第二块时间透镜打开，所有的原色都变回绿色。g、所有的观测者观测到的都是连续的绿光好像所有事情都没有发生过.

a、一束绿光由左边的发射者传送到右边的接收者，此时，时间透镜关闭，绿光在传输过程中不变；b、时间透镜打开，绿光分裂成前后两部分，；c：发生改变的绿光通过色散介质，蓝移光束在材料中的传播速度大于原始光束，红移光波的传播速度小于原始光束，时间缺口产生；d：时间缺口达到最大；e：时间缺口逐渐关闭；f：两束光通过时间透镜聚合为一束绿光，与原始绿光相同；g：接收者接收到绿光，与a中时间透镜关闭的情况下接收的绿光相同。

时间空间双重透镜是将时间透镜、空间透镜结合起来的透镜，如图2所示，通过时间空间双重透镜，光信号不仅在空间上，而且在时间上均出现了分开的现象。

绿光通过时间-空间双重透镜，在空间上与通过空间透镜时相同，光束的传播路程发生改变，如图朝两侧传播。因为同时绿光经过时间透镜，所以光束也会同时分裂成前后两部分光。在“-D”阶段，各束光逐渐产生时间缺口，在“ D”阶段，各束光的时间缺口逐渐关闭。再通过一个开放的时间-空间透镜，依然以原始绿光状态呈现。图中的绿球可以表示被隐藏的任何事件或者物体。

在光学物理中很早就提出了空间斗篷的概念，空间斗篷是一种能在特定空间上隐藏任何物体的装置。类似一种壳状物体围绕需被隐藏的物体。壳状物质由特殊材料制成，可以改变入射光束的折射率，使入射光束轨迹偏离需被隐藏的物体。当光束离开物体再次经过壳状物时，光束轨迹重新改变，光束的传播方向和未经过物体和壳状物的光束传播方向相同。如同光束没有经过任何物质，物体就这样被隐藏。斗篷的概念已经从空间维度拓展到了时间维度，可以通过加快光波前半部分的传播速度、减慢光波后半部分的传播速度产生时间缺口。产生的时间缺口在真空或其它普通介质中不会发生改变。任何在时间缺口中发生的事件都不会被观测者观测到。时间缺口可以通过减慢光波前半部分光速、减弱光波后半部分光速来关闭。当还原的光被观测者观察到，则仍然是一束连续、均匀的光，没有任何迹象表明曾发生过变化。

传统的光学透镜能使入射光束在空间上收敛和发散。时间透镜则能使入射光束在时间上收敛和发散。在时间透镜中，电磁波从一个地点传输到另一个地点，通过手性材料时电磁波首先分裂成两部分，前部分的电磁波产生一个负的时间延迟，后部分的电磁波产生一个正的时间延迟，从而产生一个时间缺口。两束电磁波传输到另一个手性材料，消除原先产生的时间缺口，再将两束光合并成一束光。接收者接收到的仍然是一束连续的、均匀的电磁波，而且与原始的电磁波在本质并没有发生改变。

为了在系统中演示时间上的隐身，Fridman等人以光脉冲的形式创造一个事件，在时间缺口的中心，光脉冲以不同频率通过系统。时间缺口可以通过利用附加的激光来控制微调时间透镜来打开或关闭。作者发现检测到的与事件相关的信号强于减弱十倍的原始信号。这个结果显示时间可以被隐形。

时间斗篷和空间斗篷的区别可以通过一个涉及交通事故的隐喻来理解。空间斗篷就像以四叶式交汇点或立交桥形式存在的交汇点，导致某一空间区域被弯曲。通过这个交叉点之后，交通按原方向行驶就好像交叉点不存在。相比之下，空间斗篷像铁路路口，当火车通过时车需要停下来，这就形成一个交通缺口。当火车要通过路口，之前停下来的车会加速直到追上前面的车，所以不能通过车的流量来判断火车是否通过路口。

因为空间和时间隐形在不同的物理维度——空间和时间，没有基本原理方面的理由说明两种技术不能结合，所以时间空间双重透镜可能实现。尽管如此，Fridman等人所证明的单向时间隐身设备已经运用到某些程序中，如加强在光纤通信系统的安全性。未来的发展方向包括从毫秒级到微秒级来增强隐身时间，以及建设一个装置以达到对不同方向的入射光同时工作。

外文文献出处：Robert W. Boyd. How to hide in time[J]. NATURE, 2012, 481:35-36

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