平行宇宙、時(shí)空蟲洞和多重現(xiàn)實(shí)的概念長期以來一直是科幻小說和理論物理學(xué)的重要主題，它們描繪了瞬間穿越廣闊距離或在獨(dú)立維度中共存的可能性，極大地激發(fā)了人類的想象力。盡管這些概念在廣義相對(duì)論和量子力學(xué)中有著深厚的理論基礎(chǔ)，但由于其實(shí)現(xiàn)需要極端的條件，直接的實(shí)驗(yàn)探索一直遙不可及。然而，光學(xué)和超材料領(lǐng)域的一項(xiàng)最新突破，為實(shí)驗(yàn)性地模擬這些奇特現(xiàn)象提供了一條新穎、可行的途徑：即發(fā)展非局域性實(shí)現(xiàn)的光子學(xué)類比。

這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作，以發(fā)表在《自然通訊》的論文《非局域性實(shí)現(xiàn)的光子學(xué)類比：平行空間、蟲洞和多重現(xiàn)實(shí)》為代表，利用精確設(shè)計(jì)的人工材料來創(chuàng)建光學(xué)系統(tǒng)，使光線的行為仿佛正在穿越這些充滿奇幻色彩的結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)這些類比的關(guān)鍵在于工程介質(zhì)中的非局域性概念。

非局域性在工程介質(zhì)中的作用

在傳統(tǒng)的光學(xué)材料（如玻璃或水）中，光的傳播受局域特性支配：任何一點(diǎn)的折射率僅取決于該點(diǎn)材料的成分。系統(tǒng)的響應(yīng)被限制在相互作用的瞬時(shí)鄰域內(nèi)。

然而，非局域性引入了一種根本不同的機(jī)制。在超材料的背景下，非局域性意味著材料在給定點(diǎn)的光學(xué)響應(yīng)取決于更廣闊、可能更遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)的電磁場(chǎng)。在數(shù)學(xué)上，這通常是通過控制動(dòng)量空間（k空間）中材料不同模式或本征態(tài)之間的耦合來實(shí)現(xiàn)的。

在這項(xiàng)研究中，非局域性是通過精心設(shè)計(jì)人工材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)量選擇性耦合。射入的光線會(huì)根據(jù)入射動(dòng)量（或角度）的不同，被分流到不同的“通道”或“本征態(tài)”中。這種k空間的選擇性是至關(guān)重要的要素，它允許研究人員在同一個(gè)物理體積內(nèi)疊加多個(gè)獨(dú)立的光學(xué)現(xiàn)實(shí)。

光子學(xué)類比一：平行空間和多重現(xiàn)實(shí)

非局域性在該系統(tǒng)中最直接的體現(xiàn)是創(chuàng)建了光子學(xué)平行空間或多重現(xiàn)實(shí)。所設(shè)計(jì)的工程材料具有兩個(gè)（或更多）共存但相互獨(dú)立的光學(xué)特性集合，它們位于同一個(gè)物理體積內(nèi)。光線被迫根據(jù)其進(jìn)入的邊界來選擇其中一個(gè)特性集合。

想象一個(gè)單一的材料塊：

1. 穿過邊界 A 進(jìn)入的光線感知到該材料塊具有光學(xué)介質(zhì) 1 的特性（例如，一個(gè)透鏡或特定的折射率分布）。
2. 穿過邊界 B 進(jìn)入的光線感知到完全相同的材料塊具有光學(xué)介質(zhì) 2 的獨(dú)特特性（例如，一個(gè)完全不同的散射體或不同的折射率）。

實(shí)際上，單一材料承載了兩個(gè)正交的光學(xué)空間。一個(gè)光子，根據(jù)其“入口點(diǎn)”，被限制在一個(gè)現(xiàn)實(shí)中，而對(duì)另一個(gè)現(xiàn)實(shí)完全不察覺，盡管它們?cè)诳臻g上重疊。實(shí)驗(yàn)證明了在同一個(gè)物理位置可以實(shí)現(xiàn)兩種完全不同的光學(xué)設(shè)備或圖像（例如，一個(gè)蝴蝶和一個(gè)楓葉）獨(dú)立運(yùn)作且相互干擾極小。這有效地提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的、桌面級(jí)的類比，來研究兩個(gè)平行現(xiàn)實(shí)如何占據(jù)同一體積，卻通過一種依賴于邊界的相互作用機(jī)制而彼此分離。

光子學(xué)類比二：作為隱形光隧道的蟲洞

除了平行現(xiàn)實(shí)，非局域性的力量還允許模擬光子學(xué)蟲洞。在理論物理學(xué)中，蟲洞是時(shí)空的一種推測(cè)性的拓?fù)涮卣?，其本質(zhì)是作為穿越空間和時(shí)間的捷徑。它可以連接兩個(gè)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)，甚至是兩個(gè)不同的宇宙。

在光子學(xué)類比中，蟲洞被實(shí)現(xiàn)為一個(gè)連接光學(xué)系統(tǒng)中兩個(gè)空間點(diǎn)的“隱形光隧道”。

1. 該蟲洞利用了人工材料中有效折射率 ($n$) 接近零的區(qū)域（稱為 Epsilon-Near-Zero，或 ENZ 介質(zhì)）。
2. 在 ENZ 介質(zhì)中，光的相位傳播幾乎是瞬時(shí)的，光程被極度壓縮。
3. 通過精心設(shè)計(jì)非局域特性和 ENZ 區(qū)域，研究人員可以創(chuàng)建一個(gè)通道，使光線進(jìn)入一端后，在不被外部觀察者發(fā)現(xiàn)任何可見散射或衍射的情況下，瞬間傳輸?shù)搅硪欢恕?/li>

這個(gè)隧道充當(dāng)了光的捷徑，非常類似于理論蟲洞作為時(shí)空的捷徑。這種“隱形”源于光線耦合進(jìn)出非局域介質(zhì)的特殊方式，使得傳輸過程對(duì)于外部來說是不可察覺的。這種類比提供了一種具體、可實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，來研究空間捷徑的基本物理學(xué)，這是天體物理學(xué)蟲洞的關(guān)鍵特征。

影響和未來方向

非局域性實(shí)現(xiàn)的光子學(xué)類比不僅僅是巧妙的光學(xué)“把戲”；它們對(duì)多個(gè)領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的影響：

1. 基礎(chǔ)物理學(xué)探索：這些類比為諸如多重宇宙等抽象概念提供了“量子模擬器”，使研究人員能夠探索多重現(xiàn)實(shí)共存或相互作用的機(jī)制，而無需涉及廣義相對(duì)論的極端能量。它們提供了一個(gè)有形的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來探索耦合系統(tǒng)的邊界條件和拓?fù)涮卣鳌?/p>

2. 先進(jìn)光學(xué)工程：最直接和實(shí)際的影響在于光學(xué)器件的微型化和復(fù)用。將兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的光學(xué)功能編碼到完全相同的物理體積中（在物理域內(nèi)進(jìn)行復(fù)用）的能力，為設(shè)計(jì)帶來了前所未有的自由度。這可能導(dǎo)致：

• 超緊湊的光學(xué)芯片，其中單個(gè)元件執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)。
• 新型通信系統(tǒng)，通過邊界選擇性非局域性分離數(shù)據(jù)通道，大大提高數(shù)據(jù)容量。
• 多功能透鏡和成像系統(tǒng)。

3. 深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)：這項(xiàng)研究通常利用深度學(xué)習(xí)和逆向設(shè)計(jì)技術(shù)來發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)所需非局域行為所需的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這突顯了現(xiàn)代科學(xué)中一個(gè)強(qiáng)大的協(xié)同趨勢(shì)：利用人工智能來設(shè)計(jì)具有反直覺、奇異特性的材料，而這些特性是傳統(tǒng)試錯(cuò)法難以發(fā)現(xiàn)的。

總而言之，非局域性與超材料的結(jié)合開啟了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的一個(gè)新時(shí)代，將科幻概念轉(zhuǎn)化為桌面現(xiàn)實(shí)。通過提供一個(gè)有形的平臺(tái)來模擬平行空間和蟲洞等概念，這項(xiàng)工作不僅滿足了科學(xué)的好奇心，也從根本上改變了我們對(duì)未來光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)和能力的看法。