反激光”功能為手機(jī)充電？

圖片是一項(xiàng)特斯拉線圈產(chǎn)生電弧的早期試驗(yàn)，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(jī)充電。

（圖片：Airarcs / CC BY-SA 3.0）

科學(xué)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?dú)w功于他們稱之為 “反激光”的科幻裝置。

這個(gè)想法很簡(jiǎn)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(gè)接一個(gè)地吸收光子。長(zhǎng)期以來，研究人員一直猜測(cè)，這樣的設(shè)備可能會(huì)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(jī)上，并為其供電。但是，盡管之前已經(jīng)測(cè)試了基本的反激光，但現(xiàn)實(shí)世界并不像激光瞄準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室固定接收器那樣整齊有序。電子設(shè)備四處移動(dòng)，物體進(jìn)入障礙物，墻壁以意想不到的方式反射能量。實(shí)驗(yàn)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(yù)測(cè)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(tái)機(jī)器在空間內(nèi)傳送電源，而另一臺(tái)（“反激光”）會(huì)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(shí)驗(yàn)令人興奮，但有一個(gè)基本限制：時(shí)間方向。這些實(shí)驗(yàn)僅在時(shí)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(jiǎn)單的模型是，激光筆將光子一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射到接收器中，使其將光子吞噬，無論你快進(jìn)還是倒退播放其動(dòng)作磁帶，圖像看起來都基本相同：光子從一個(gè)裝置中彈出，穿越太空，進(jìn)入另一個(gè)裝置。物理學(xué)術(shù)語中，這樣的設(shè)置被稱為具有“時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性”。時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)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(fù)雜的“相干完美吸收”實(shí)驗(yàn)也有時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性。有些實(shí)驗(yàn)比激光筆瞄準(zhǔn)接收器還要復(fù)雜。但是，即使是復(fù)雜的項(xiàng)目，也可以將其設(shè)置為逆轉(zhuǎn)過程，使其具有時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性。

（下面是一個(gè)復(fù)雜事件如何成為時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性的示例：想象一下有卷磁帶，記錄一個(gè)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(gè)埃菲爾鐵塔模型。結(jié)果看起來可能很復(fù)雜，但是磁帶會(huì)記錄每一塊積木的去向，所以倒放磁帶就會(huì)看到業(yè)余愛好者將這些積木拆開并重新組裝。）

但在這項(xiàng)新的研究中，研究人員利用磁場(chǎng)強(qiáng)烈地撞擊光子，以使其喪失時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其最初作為‘時(shí)間反轉(zhuǎn)激光器’的概念，這暗示著它有一天可能會(huì)在現(xiàn)實(shí)世界中得到實(shí)際應(yīng)用。這是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界不像做時(shí)間可逆實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室那么整潔，而是混亂且不可預(yù)測(cè)的，而且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看永遠(yuǎn)也不會(huì)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(duì)。

研究人員在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中都使用了微波能，從而實(shí)現(xiàn)了這種非時(shí)間反轉(zhuǎn)“相干完美吸收”。第一個(gè)是光子必須導(dǎo)航才能到達(dá)接收器的“迷宮”電線。第二個(gè)是一個(gè)小的，不規(guī)則的“黃銅腔”，中間有一個(gè)接收器，光子在散射并穿過空腔后到達(dá)。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員發(fā)射了不同特性的微波，并測(cè)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(chǎng)、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(gè)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(shí)際應(yīng)用中（例如你的客廳），發(fā)射器會(huì)測(cè)試并重新測(cè)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(gè)主要的潛在應(yīng)用。研究人員寫道，第一種是遠(yuǎn)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(cè)光子散射在任何空間的細(xì)微變化。 （想象一下，一個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭可以感覺到入侵者在空間中移動(dòng)。）

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(hào)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(jìn)入到我們的現(xiàn)實(shí)生活還需要很長(zhǎng)的一段時(shí)間。但研究人員寫道，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，它們存在可行性。