當你來到一家餐廳用餐，服務員熱情地遞上了一杯熱茶水，你不經意地往茶杯中一瞥，卻發現這杯子中怎么還有“油污”在浮動！
茶杯中交錯的水影是油污嗎？圖源：作者自攝
于是，你暗自懊悔找了一家“不干凈”的餐廳，默默把茶水倒掉重新倒了一杯熱水，“油污”好像真的被倒掉了一樣消失不見了。但是，杯子中交錯的水影真的是油污嗎？
01 交錯的水影
其實，我們能看到的這種交錯的水影，和我們能在水中看清油污是相同的原理，都是由于液體折射率的差異。
清晰的油水分界線 圖源：攝圖網
可是，杯中只有熱水這一種液體，為什么會出現折射率的差異呢？難道這交錯的水影還有“厭冷喜熱”的性質嗎？我們不妨來測試一下。我們使用阿貝折射儀，它可以依據光的全反射原理來測量液體的折射率。同時，搭配恒溫水浴缸來測量不同溫度的去離子水的折射率：
去離子水折射率隨溫度的變化 圖源：參考文獻
實驗結果表明，液體（去離子水）的折射率隨溫度升高而減小。原來，熱水進入杯子后，部分與相對較冷的杯底杯壁接觸的熱水被冷卻，并和周圍仍然高溫的水形成局部對流，這些存在對流和水溫變化顯著的區域折射率變化明顯，就會讓我們感覺仿佛有兩種不同的液體在流動，看到交錯的影子。
冷熱對流圖源：作者自制
同理，其實將冷水倒入熱杯子也會有類似的現象，關鍵就在于杯子和倒入液體之間的溫度差異。
02 海市蜃樓
像這種由于某些物理性質的差異，引起折射率變化，從而產生奇妙光現象的例子并不少見，海市蜃樓就是一個典型的例子，其根本原因是空氣密度的差異。
蜃景分為上現蜃景和下現蜃景。上現蜃景一般出現在海上，是由于下層空氣密度比上層大，空氣折射率自下而上逐漸減小。此時，被物體反射的光線在空氣中的軌跡為向上凸的拋物線，物體的像在原物的上方，有正立的，也有倒立的。
2021年7月深圳大鵬灣海面出現的海市蜃樓現象 圖源：深圳晚報
下現蜃景通常出現在炎熱干燥的沙漠里，下層空氣密度比上層小，空氣折射率自下而上逐漸增大。此時，被物體反射的光線在空氣中的軌跡為向上凹的拋物線，物體的像在原物的下方，且是倒立的。
撒哈拉沙漠的海市蜃樓現象 圖源：美篇
“密度”這一耳熟能詳的物理量與折射率又有什么關系呢？通過測量不同濃度蔗糖溶液的折射率實驗，我們能夠發現：密度較大的蔗糖溶液，折射率更大；而密度較小的蔗糖溶液，折射率也更小。
蔗糖溶液折射率隨蔗糖濃度的變化 圖源：參考文獻
利用這一結論，我們可以模擬海市蜃樓現象：在玻璃缸中倒入一半密度較大的液體（如飽和糖水、飽和食鹽水），利用透明薄膜在上方倒入密度較小的液體（如純水），小心取走透明薄膜，用激光筆從側面照射水體，會觀察到激光光路呈上凸狀，將燃燒的蠟燭置于玻璃缸后可以觀察到上現蜃景。
圖源：bilibili@火花學院
隨著密度較大的溶液逐漸被稀釋，其折射率梯度減小，光線彎折程度也會減小，蜃景也會消失。
03 神奇的左手材料
那么，光為什么會發生折射呢？這個問題早在1662年就由法國科學家皮埃爾·德·費馬做出了解答：光傳播的路徑是光程取極值的路徑，這就是著名的費馬原理。
費馬圖源：百度百科
什么叫“光程取極值的路徑”呢？通俗地講，就是光在兩種介質中所走的路徑，雖不是直線，雖不是路程最短，卻是所用時間最短的路徑。
折射光路圖 圖源：作者自制
而在41年前，荷蘭數學家斯涅爾就通過計算發現，當光由第一媒質（折射率為n1）射入第二媒質（折射率n2）時，會在平滑界面上發生折射，且入射角θ1和折射角θ2滿足：
初中我們就學習過，筷子在水中“彎折”是由于光的折射（如下左圖），但我們有沒有可能觀察到右圖的現象呢？
筷子“彎折”了 圖源：作者自制
從光怪陸離的大自然中獲得靈感，科學家們設計合成了具有特殊結構的材料，使得右圖中筷子“反向彎折”的光學現象成為可能，并稱其為“負折射”現象。利用好負折射，許多天方夜譚將變為可能。
我們知道光其實是一種電磁波，在電磁學中，電磁波的電場強度E、磁場強度H以及電磁波的傳播方向k滿足右手定則：用右手的四指指向電場強度E的方向，然后彎曲四指，使得四指經小于180°的角度轉到磁場強度H的方向，此時大拇指的方向就是電磁波的傳播方向k。光在絕大多數大自然的傳播介質中都是滿足右手定則的，這些介質被稱為“右手材料”。
電磁波電場、磁場、傳播方向的關系 圖源：sohu.com
而在1968年，蘇聯物理學家Veselago構想了能讓電磁波以左手定則傳播的特殊介質（材料），他將這種材料稱之為“左手材料”。
蘇聯物理學家Victor·Georgievich·Veselago 圖源：Wikipedia
從光傳播的角度來說，這種材料的折射率為負值，因此左手材料也被稱為“負折射率”材料。
負折射現象 圖源：baijiahao
除此之外，Veselago還預言了左手材料被光照射時，能量會沿著相反方向流動，使得介質的能量減少，故有望成為未來的新型制冷材料。然而，Veselago 的預言未能得到科學界的重視，其研究工作的價值一度被低估，超材料領域的發展進入黑暗期。直到33年后，加州大學圣迭戈分校物理系的Smith等人用以銅為主的復合材料構造出一種介電常數ε和磁導率μ均為負值的特殊結構，并利用這種復合材料觀察到了負折射現象，才證實了左手材料折射率的測量值為負值。
首次人工合成的雙負材料 圖源：網易
人們預測，可見光范圍的左手材料將會有廣泛的應用前景，例如超透鏡（這種透鏡的光損失非常小，可以大大提高顯微鏡的分辨率）和隱身材料（雷達電磁波通過其中會發生彎曲繞過，可完美達到高質量隱身的目的）。
超透鏡 圖源：sohu.com
盡管這種材料還未真正投入生產和應用，但如果能夠實現，就會在光學成像、工程和國防等領域發揮重要的作用。我們相信，在科技飛速發展的現代，人類始終有著化不可能為可能的神奇力量，也許超透鏡與“隱身”的實現就在不久的將來。
參考文獻
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作者：周文鼎，華東師范大學物理系本科生
策劃&編輯：rain
鳴謝：中國科學院大學博士、高級工程師 郭瑋宏為本文提供科學指導。
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