量子物理学家发现不存在完全透明的材料

物理学家发现：没有物质能完全透明 量子研究人员揭示材料为何不可避免地吸收光线 作者：Matthew von Hippel　编辑：Clara Moskowitz

《吉尼斯世界纪录》将Ivan Smalyukh列为已知最透明材料的发明者。他在科罗拉多大学博尔德分校的实验室开发出了一种凝胶，通过精心调节使其对光线的弯折程度几乎与空气相当，从而比玻璃本身还要清澈，这种凝胶可用于窗户隔热。

他的工作以及其他近期进展或许会让人觉得，研究人员正在朝着开发完全透明物质的方向前进。然而，这个梦想最近被证明是不可能的——一组理论物理学家发现，由于一种将光波转化为声波的量子过程，任何弯折光线的材料都不可能完全透明。研究人员认为，即便最精巧的工程设计也永远无法创造出一种不损失部分透射光的材料。但这种损失可以非常非常小。

Smalyukh的凝胶已经相当接近了。但它们的设计是薄层应用：一英尺厚的凝胶层只能透射很少的光。

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如果你想看得更远，透过光纤电缆——比如那些用于跨洋连接互联网的电缆——会更有希望。光纤在需要为下一段电缆放大信号之前，可以让光在弯曲路径上传输数英里。

要做得更好，你可能需要借助一种更奇特的物质。将氦冷却到仅比绝对零度高几度的温度，它会变成一种被称为超流体的液体。在超流体中，量子力学协调着不同原子的运动方式，使液体完全无摩擦地流动。尤其是液氦，清澈得令人惊叹，尽管它吸收X射线，但科学家们一直未能测量到它对可见光的影响。

理论物理学家Alberto Nicolis、Federico Piazza和Angelo Esposito在职业生涯中一直在思考超流氦这类奇异的量子材料。Nicolis和Piazza好奇的是，一种尽可能透明的材料会发生什么。它必须很冷，这样光才不会在已经运动的分子抖动中丢失；它还必须很惰性，没有化学反应或电流会吸收光作为能量来源。他们预期这样的材料仍然会通过微妙的量子过程吸收一些被称为光子的光粒子，于是他们着手估算会损失多少光。

Nicolis和Piazza把这个想法告诉了Esposito，后者意识到自己做过类似的估算——不是针对光，而是针对暗物质。他一直在试图弄清楚如何探测一种名为暗光子的假想粒子，并意识到如果暗光子在超流氦中轻推一个原子核，就有可能被发现。

“在与其中一个原子核相互作用时，它会给它一个推力，”Esposito说。

这个推力会触发微小的振动，一种量子力学声波。随着这种情况反复发生，暗光子会损失能量。Esposito意识到，普通光子也应该发生同样的事情。最终光子会损失太多能量，以至于无法被探测到。

那个“最终”可能意味着很长时间。物理学家们想象的完美超流体是如此清澈，光可以穿过地球直径的距离才会变得明显暗淡。但最终光仍然会衰减。尽管研究人员的模型只描述了超流体，但他们预计其他材料也会遵循类似的规律。

“我认为这对所有材料都适用，”Esposito说。该团队于10月8日在arXiv.org网站上以预印本形式发布了他们的发现。

“我觉得这项工作超级有趣，”苏黎世瑞士联邦理工学院的物理学家Borna Salehian说，他没有参与该项目。“在理论物理学中，我们寻找的是自然设定的基本限制。这篇论文恰恰给出了一个！”

Matthew von Hippel是一位物理学家和自由科学作家，常驻哥本哈根。他拥有粒子物理学背景，曾为Quanta、Ars Technica和Scientific American撰稿。他在https://4gravitons.com/ 写博客，并担任e184的科学传播负责人。

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