【物理学中的手性 6】

（6. 改变光的传递方向的左手材料）

       前已述及，电场强度E、磁场强度H和波矢k三者的方向在通常情况中遵从右手定则，这在几乎所有的普通材料中（诸如空气、玻璃等常见材料，称为右手材料）都是如此。我们不妨试设想，有没有在特定条件下，光的传递也遵从左手定则呢？从手性表征的逻辑来想，它似乎是符合镜像对称的手性关系的。如下图所示：

       从上图可知，把左右手放进去以后，这两张图完全符合“镜像对称但不重合”的手性对称。且左手定则是四指弯曲的方向是从E经小于180度弯向H的指向，而伸直的大拇指则是光传递的方向。那么这个特定条件就是须要有反常的左手材料。然而，左手材料和右手材料的物理性质迥然不同，所以它们又是手性不对称的，即为手性功能材料。这种手性材料不是由手性分子构成的，因而没有旋光性。这些材料在地球世界的自然条件下是不存在的。

       这就是说常规的材料是右手材料，而左手材料从逻辑上是可推测的。后来由苏联物理学家维斯拉格作了理论推导，理论上是可以人工合成的。再后是美国人真的造出了适宜微波波段的左手材料。

       左手材料有很多奇异而反常的特性，要说明这些特性就必须明确两个物理学的矢量。一是波矢量 k，二是坡印亭矢量Ѕ。单色光是通过简谐波传递的，递速为相速度；而复合光则是由许多简谐举波叠加起来的波群（波包）传递的，递速为群速度。相速度代表着光的传递方向，而且与介质材料的介电常数 ε和磁导率 μ 有关；而群速度代表着光能量的传递方向，且与介电常数 ε和磁导率 μ 无关。那么这两个矢量在左手和右手材料中的表现是不一样的。因此在普通的右手材料中，介电常数 ε和磁导率 μ 均为正值，那么波矢量 k和坡印亭矢量Ѕ的传递方向是一致的，也就是光波传递和光能传递是一致的。而在左手材料中就不同了，因为左手材料的介电常数 ε和磁导率 μ 均为负值，那么波矢量 k和坡印亭矢量Ѕ的传递方向是相反的，也就是光波传递和光能传递是反向的。那就是说，在左手材料中，太阳光是冷酷的，越照越冷，因为光能是相反方向逆走的。

       左手材料的奇异之处在于其介电常数 ε和磁导率 μ 均为负值，使得波矢量 k和 坡印亭矢量Ѕ 的方向总是相反的(常规的右手材料与此截然不同)。即光波的传播方向与能量传播的方向是相反的，除此外还衍生出许多奇妙的光学现象，如负折射率、负光压、反常切伦科夫辐射和逆多普勒频移等。这些不同寻常的物理性质和应用将引发了人们无限的遐想。

                                                                       丰都智愚河畔环境技术工作室