摘要：平行宇宙、时空虫洞和多重现实的概念长期以来一直是科幻小说和理论物理学的重要主题，它们描绘了瞬间穿越广阔距离或在独立维度中共存的可能性，极大地激发了人类的想象力。尽管这些概念在广义相对论和量子力学中有着深厚的理论基础，但由于其实现需要极端的条件，直接的实验探索一
平行宇宙、时空虫洞和多重现实的概念长期以来一直是科幻小说和理论物理学的重要主题，它们描绘了瞬间穿越广阔距离或在独立维度中共存的可能性，极大地激发了人类的想象力。尽管这些概念在广义相对论和量子力学中有着深厚的理论基础，但由于其实现需要极端的条件，直接的实验探索一直遥不可及。然而，光学和超材料领域的一项最新突破，为实验性地模拟这些奇特现象提供了一条新颖、可行的途径：即发展非局域性实现的光子学类比。
这项开创性的工作，以发表在《自然通讯》的论文《非局域性实现的光子学类比：平行空间、虫洞和多重现实》为代表，利用精确设计的人工材料来创建光学系统，使光线的行为仿佛正在穿越这些充满奇幻色彩的结构。实现这些类比的关键在于工程介质中的非局域性概念。
在传统的光学材料（如玻璃或水）中，光的传播受局域特性支配：任何一点的折射率仅取决于该点材料的成分。系统的响应被限制在相互作用的瞬时邻域内。
然而，非局域性引入了一种根本不同的机制。在超材料的背景下，非局域性意味着材料在给定点的光学响应取决于更广阔、可能更远的区域内的电磁场。在数学上，这通常是通过控制动量空间（k空间）中材料不同模式或本征态之间的耦合来实现的。
在这项研究中，非局域性是通过精心设计人工材料的内部结构来实现动量选择性耦合。射入的光线会根据入射动量（或角度）的不同，被分流到不同的“通道”或“本征态”中。这种k空间的选择性是至关重要的要素，它允许研究人员在同一个物理体积内叠加多个独立的光学现实。
非局域性在该系统中最直接的体现是创建了光子学平行空间或多重现实。所设计的工程材料具有两个（或更多）共存但相互独立的光学特性集合，它们位于同一个物理体积内。光线被迫根据其进入的边界来选择其中一个特性集合。
想象一个单一的材料块：
穿过边界 A 进入的光线感知到该材料块具有光学介质 1 的特性（例如，一个透镜或特定的折射率分布）。
穿过边界 B 进入的光线感知到完全相同的材料块具有光学介质 2 的独特特性（例如，一个完全不同的散射体或不同的折射率）。
实际上，单一材料承载了两个正交的光学空间。一个光子，根据其“入口点”，被限制在一个现实中，而对另一个现实完全不察觉，尽管它们在空间上重叠。实验证明了在同一个物理位置可以实现两种完全不同的光学设备或图像（例如，一个蝴蝶和一个枫叶）独立运作且相互干扰极小。这有效地提供了一个实验性的、桌面级的类比，来研究两个平行现实如何占据同一体积，却通过一种依赖于边界的相互作用机制而彼此分离。
除了平行现实，非局域性的力量还允许模拟光子学虫洞。在理论物理学中，虫洞是时空的一种推测性的拓扑特征，其本质是作为穿越空间和时间的捷径。它可以连接两个遥远的点，甚至是两个不同的宇宙。
在光子学类比中，虫洞被实现为一个连接光学系统中两个空间点的“隐形光隧道”。
该虫洞利用了人工材料中有效折射率 ($n$) 接近零的区域（称为 Epsilon-Near-Zero，或 ENZ 介质）。
在 ENZ 介质中，光的相位传播几乎是瞬时的，光程被极度压缩。
通过精心设计非局域特性和 ENZ 区域，研究人员可以创建一个通道，使光线进入一端后，在不被外部观察者发现任何可见散射或衍射的情况下，瞬间传输到另一端。
这个隧道充当了光的捷径，非常类似于理论虫洞作为时空的捷径。这种“隐形”源于光线耦合进出非局域介质的特殊方式，使得传输过程对于外部来说是不可察觉的。这种类比提供了一种具体、可实验验证的方式，来研究空间捷径的基本物理学，这是天体物理学虫洞的关键特征。
非局域性实现的光子学类比不仅仅是巧妙的光学“把戏”；它们对多个领域具有深远的影响：
1. 基础物理学探索：这些类比为诸如多重宇宙等抽象概念提供了“量子模拟器”，使研究人员能够探索多重现实共存或相互作用的机制，而无需涉及广义相对论的极端能量。它们提供了一个有形的实验平台来探索耦合系统的边界条件和拓扑特征。
2. 先进光学工程：最直接和实际的影响在于光学器件的微型化和复用。将两个或多个独立的光学功能编码到完全相同的物理体积中（在物理域内进行复用）的能力，为设计带来了前所未有的自由度。这可能导致：
超紧凑的光学芯片，其中单个元件执行多项任务。
新型通信系统，通过边界选择性非局域性分离数据通道，大大提高数据容量。
多功能透镜和成像系统。
3. 深度学习增强：这项研究通常利用深度学习和逆向设计技术来发现和优化实现所需非局域行为所需的复杂内部结构。这突显了现代科学中一个强大的协同趋势：利用人工智能来设计具有反直觉、奇异特性的材料，而这些特性是传统试错法难以发现的。
总而言之，非局域性与超材料的结合开启了实验物理学的一个新时代，将科幻概念转化为桌面现实。通过提供一个有形的平台来模拟平行空间和虫洞等概念，这项工作不仅满足了科学的好奇心，也从根本上改变了我们对未来光学技术设计和能力的看法。
来源：伪科学家
