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科学陈根：当光束不遵循折射定律，发生了什么？


文/陈根
斯涅尔定律（Snell's Law） ， 亦称折射定律（Law of Refraction） 。 事实上 ， 关于折射的实验 ， 在古希腊就已有记录 。
公元二世纪 ， 托勒密使用了一个划分为360等分的圆盘 ， 在圆盘中心上装两把能绕盘心旋转的尺子 ， 将圆盘的一半浸入水中 。 让光线由空气射入水中 ， 就得到它在水中的折射光线 ， 转动两把尺子 ， 使它们分别与入射光线和折射光线重合 。
即让视线沿上端直尺望去 ， 调节两直尺位置 ， 使两直尺看上去在一直线上 ， 然后取出圆盘 ， 按尺子的位置刻下入射角和折射角 。 按照实验数据 ， 托勒密大致假定了光的入射角和折射角成正比的结论 ， 而这也是最早关于折射实验的记录 。
折射定律从雏形到被视为公理定理已有千年 ， 而最近发表在《自然光子学》上来自佛罗里达大学的研究人员开发出一种新型的激光束 ， 它不遵循长期以来关于光如何折射和传播的原理 ， 这可能对光通信和激光技术产生巨大影响 。
科学陈根：当光束不遵循折射定律，发生了什么？
本文插图
一般来说 ， 光束被称为时空波包 ， 在折射时（即穿过不同的材料时）遵循不同的规则 。 通常 ， 光线进入较密的材料时会变慢 。
研究团队以航天器为例 ， 当其向深度相同、但距离不同的两艘潜艇发送光编码消息时 ， 通常信息会先抵达较近的子节点 。 但利用“时空波包”的特性 ， 可让光脉冲同时“恰到好处”地抵达两个子节点 。
科学陈根：当光束不遵循折射定律，发生了什么？
本文插图
尽管听起来与物理学的某些基础定律相矛盾 ， 但研究团队强调称 ， 它实际上仍遵循狭义相对论 。 因为这项技术并未扰乱光本身的振荡（波粒二象性） ， 而是对光脉冲的峰值传播速度加以控制 。
但对于通信 ， 这意味着在这些数据包中传播的消息的速度不再受通过不同密度的不同材料传播的影响 。 举例来说 ， 如果考虑到一架飞机试图与两艘潜艇在同一深度进行通信 ， 但其中一艘很远 ， 而另一艘则在附近 ， 那么相距较远的那一架将比附近的一架更长 。 但通过脉冲传播 ， 只要它们在同一深度 ， 就可以使它们同时到达两艘潜艇 。
【科学陈根：当光束不遵循折射定律，发生了什么？】研究人员表示 ， 该研究的下一步工作包括研究这些新的激光束与诸如激光腔和光纤之类的设备之间的相互作用 ， 以及将这些新见解应用于物质 。


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