他把空间当作“橡胶”，开创了一个实用的物理领域|光学|橡胶|波长|爱因斯坦|物理领域|玻璃|空间|超材料|透镜

彭德里（John Pendry）是当代最具影响力的理论物理学家之一，也是超材料与变换光学（transformation optics）领域的开创者之一。他提出负折射率材料的可实现方案，并进一步预言和推动了“完美透镜”的概念，成功挑战并超越了传统光学的阿贝衍射极限，实现亚波长成像。他还构建了“隐身斗篷”的理论框架，利用变换光学精准操控电磁波路径，为纳米光学、超分辨成像及新一代集成显示技术奠定了物理基础。彭德里获得过诸多殊荣，其中2024年因“超材料理论构建对材料科学领域的贡献”，获得该年度京都奖（Kyoto Prize）。本文是他的获奖演讲“我的科学生涯”实录。

撰文 | 约翰·彭德里（John Pendry，伦敦帝国理工学院理论固体物理教授）

翻译 | 叶凌远

童年时代

我被要求谈谈我早年间的生活，那就让我们从头开始吧。

图1 约翰·彭德里童年时

我出生在英国的兰开夏郡（Lancashire），一个叫作阿什顿安德莱恩（Ashton-under-Lyne）的棉纺小镇。我出生于1943年，那个时代可与现在大不相同。我父亲在航空业工作，我母亲在政府当书记员。那时正值战争时期。

我们一家和祖母住在一起。她在一条名为“便士草甸”（Penny Meadow）的街上开了一家糖果店。那时候其实已经没多少草地了，这里已成为镇上主要的购物街之一，靠近镇中心的市场。街上的许多商店都住着年轻的家庭，所以我有很多朋友一起玩耍、搞恶作剧等等。那个商店还是一个相当重要的社交中心，尤其是在星期六，我们的亲戚会来购物。买完东西后，他们会来和我的祖母、母亲聊天，顺便喝杯茶。所以我们家是个挺热闹的“据点”。

正因如此，我不得不从小就习惯在干扰中做“研究”。那时候，我的父母之所以和祖母住在一起，是因为受希特勒的影响，当时市场上没有多少房产可供选择。但尽管有战争破坏，人们对未来仍保持着积极的心态。特别是，人们看到了科学将带来的益处。所以，从很小的时候起，我就对科学着迷了：我不记得我想当一个科学家的愿望在任何时候有过动摇，科学家是最棒的。

时代变了。以上是20世纪40年代的样子，和艺术家 L. S. Lowry 在《兰开夏街头》（Lancashire Street，1951）中描绘的棉纺社会一模一样。这幅画当时可能卖了几千英镑，我想现在值几百万了，他的作品就是这个价。他最初在我们隔壁的奥尔德姆镇（Oldham）工作，但也画我们镇的场景。他赚了点钱后，就搬到了稍远一点的莫特拉姆（Mottram），一个位于山间的小村庄。我们学校过去还经常有人去采访他。

图2 《兰开夏街头》（Lancashire Street）

请大家注意这幅画的几处细节。冒烟的烟囱，那是棉纺厂在运转的标志。Lowry以画我们现在所说的“火柴棍小人”而闻名。画中的兰开夏人在忙着各自的事情，他们非常善于交际，这幅画正反映了我成长时期的典型环境。

正如我提到的，棉花是我家乡19世纪繁荣的基础，我童年时期所看到的景象被巨大的棉纺厂占据。其中一个是帝国棉纺厂（Imperial Cotton Mill），我不太确定它具体在哪里，但它离我们很近。工厂有一个烟囱，整个建筑由一台燃煤蒸汽机驱动。煤是本地开采的，我们称之为“黑钻石”。如今煤炭的名声不那么好了，但它驱动了这些工厂。一台蒸汽机驱动一系列皮带，带动着极其嘈杂的机器。棉花从利物浦（Liverpool）转运到镇上，它们从美国加尔维斯顿（Galveston）等地进口而来，然后经过纺纱、织布，再出口到世界各地。那些棉纺厂现在已经不存在了，它们已成为历史的一部分。

我非常幸运。我的父母和祖母营造了一个充满爱心且稳定的环境。家里有点凌乱，因为我们没有太多空间：一家人挤在一间客厅里，旁边连着厨房。那里发生的事情不断：络绎不绝的访客、店里的顾客，我父亲的声乐课、唱音阶——不忍直视！更不用说我还胡乱捣鼓化学药品。我们家族关系非常亲密，尤其是我母亲那边。我祖母在她的孩子们十几岁时就守寡了，独自抚养我的母亲和舅舅长大。

我的舅舅西德（Sid）对我成长的影响很大。战争期间他在海军部工作，后来他成为一名教师。他似乎从不厌倦回答我的问题。他是个可爱的人。他会弹钢琴，不过弹得不是特别好。有一次我生病卧床，除了听西德舅舅弹钢琴外无事可做。我又一次被迷住了，于是要求父母让我学钢琴。不幸的是，我弹得也不行，但老话说得好，“如果一件事值得做，做得糟糕也值得。”

我母亲是徒步高手。她精力无限，我想这多少也遗传给了我。她十分热衷徒步旅行，也深深爱着乡野风景。北部的磨坊小镇都很小，我想阿什顿（Ashton）大约只有五万人口，步行就可以走出镇子，赴向自然。特别是在兰开夏郡的东侧，也就是阿什顿所在之处，往外走可以进入奔宁山脉（Pennines），夏末时节那里会铺满紫色的石楠花。再往北是湖区，我们常去那里度假，去一个叫作斯凯吉尔（Skelgill）的小农场。这是德文特湖（Derwentwater）修士岩（Friar’s Crag）的图片（图3；译者注：英国湖区著名景点），爬过猫背山（Catbells）后继续徒步就能来到这里。

图3 修士岩（Friar’s Crag）风景

学生时代

接下来我讲讲学校和学生时代。时间在流逝。

我非常幸运，在文法学校遇到了非常好的老师，他们对我照顾有加。

图4 阿斯顿文法中学和我家中的实验台图源：左图Sandra Martin

在学校功课之外，我也进行自己的探索。你看到我的工作台乱成一团，当时我正在组装一个盖革计数器（图4 右）。这就是它的计数器，它的管子则在其他地方。如你所见，我那时完全沉浸在捣鼓电子器件之类的科学活动中。那时候用的是电子管，后来晶体管才上市。

中学毕业后，我获得了剑桥唐宁学院（Downing College）的奖学金。我的物理老师和校长都曾就读于唐宁学院。他们特别希望我也去那所学院，甚至到了校长亲自给我辅导的地步。最终我很幸运地获得了唐宁学院的奖学金。这是我在唐宁的住处，我在那里住了几年（图5 右侧建筑左下角的窗户）。

图5 剑桥大学唐宁学院

到了剑桥，我仿佛如鱼得水。这里拥有着我寻求科学人生的一切：充满思想和个性，美丽的建筑，以及众多有才华的人。

在科学方面，有马丁·赖尔（Martin Ryle），他使用一些早期的射电望远镜来反驳弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）的静态宇宙图景。他们两人常常发生相当激烈的辩论。结果证明赖尔是对的：宇宙正在膨胀。还有克里克（Francis Crick）和沃森（James Watson），他们在看起来像公交候车亭的小棚子里工作，我攻读博士学位时办公室就俯瞰着那里。这些只是冰山一角。

图6 克里克和沃森，图源：由冷泉港实验室BGI 诺贝尔档案馆提供。

在艺术方面，剑桥的音乐活动多到你无法全部参加。我尤其陶醉于学院教堂里的管风琴音乐。这是我的新世界。

超材料与负折射

那么，用了比我预期长得多的时间做了这些介绍之后，让我谈谈一些最终使我获得这份美妙奖项的研究。我希望告诉大家的是，我的工作起源于非常基础的事物，而这些基础的事物可以导向实际的应用，进而发展出人们真正想买的产品，因为它们在日常生活中很有用。这是一个漫长的故事，因为我要展示的一些研究已经相当久远了。

图7 超材料图源：JB Pendry, Contemporary Physics, 07 Aug 2006

我想你们会问我的第一个问题是，我们一直在谈论的超材料（metamaterial）到底是什么？解释起来其实很简单。普通材料由原子组成（图7左），正是原子的特性最终决定了一块玻璃的性质。你看不到单个原子：你看到的是每个原子行为的某种平均。你看到玻璃的性质是一种非常集体性的响应。

然而，材料中的“基本响应单元”不必像原子那么小。它们只需要比光的波长小就行了，所以在原子尺度（10⁻10米）和光的波长之间有大量的空间，两者中间有1000倍的差距。这个空间可以塞入相对来说很大、足以被人类制造的结构，特别是当波长很长时。

在如下例子中，我们所说的开口谐振环，它的直径只有几毫米，因为它是为波长很长的辐射设计的，比如雷达波（图7右）。如今许多超材料有更小的结构，因为我们的工程能力更强了，但基本思想都是一样的，其功能来自人为设计的“超原子”。

图8 开口谐振环

这是开口谐振环结构首次被制造出来（图8）。该领域得以迅速发展的原因之一是，这种结构非常容易制造。如果你研究的是雷达频段（它也的确是为此目的而设计的），那么其整体的尺寸大约是10厘米。你甚至不必自己制作，只需在计算机上设计，然后把它发给制造印刷电路板的公司，他们会按要求把它蚀刻成你想要的任何形状或形式。所以，只要有一台电脑和一些设计软件，几乎任何人都可以参与进来。

这是另一个利用超材料思想实现极其反常性质的结构（图9）。这里的环型结构，你可以设计它们的形状使它们具有磁响应；还有一些导线（在这个图像中你只能看到淡淡的阴影），它们提供电响应。这是第一个同时实现对电场和磁场都负响应的结构——这正是人们追寻几十年的东西。结合起来，它们产生了负折射率；换句话说，当光穿过这种材料时，它会向“错误”的方向弯曲。

图9 负折射图源：D. R. Smith, J. B. Pendry, and M. C. K. Wiltshire, Science, 305, 788–792 (2004)

另一个例子来自更晚的时期。这是一种复合结构，旨在实现同样的效果，只是其尺度要小得多——不是厘米级，而是微米级，甚至亚微米结构——为红外波段而设计的。它是由加州大学伯克利分校张翔课题组制造的。

那么，什么是负折射呢？一个叫韦谢拉戈（Victor Veselago）的俄罗斯物理学家（他于2018年去世），大约在1960年发表了一篇论文提出，如果能有一种具有负折射的材料，它会有各种疯狂的性质。

图10 折射与负折射图源：JB Pendry, Contemporary Physics, 07 Aug 2006

正常的折射，一束光线会偏向法线的另一侧（图10左红线）。有一个公式可以描述角度与介质的折射率。而如果是负折射，光线会向自身方向偏折（图10左绿线），因此，它创造了非常奇怪的性质。不深入技术细节，我只举其中一个例子：如果你将一个光脉冲发射进这样的介质内，那么脉冲传播的方向与波本身传播的方向是相反的。想象一个波（图10右）：这里有一个包络（红线），包络朝某个方向移动（红箭头），而波（绿线）向反方向蠕动，试图从包络的后面出来（绿箭头）。这非常非常奇怪。

变换光学与隐身斗篷

当你拥有一个具有无穷自由度的超材料时，你必须有一些方法来控制它们。怎么进行设计呢？为此，我们求助于这位先生——爱因斯坦——我相信你们都认识他。他有一个理论，即光可以被恒星弯曲。爱因斯坦说空间不是空的。在19世纪，人们包括科学家们，对于空间一词的理解基本上意味着什么都没有，即真空。但爱因斯坦告诉我们，不，它不是空无一物的。

空间在很多方面就像一种材料，比如它具有诸如度规等特性。就光而言，它本质上描述了一个折射率。空间有一个折射率，你可以改变它。你可以通过在空间中放置非常重的东西来改变它。

图11 引力使光线弯曲

首批证明爱因斯坦理论是正确的实验之一，是在日食期间观察太阳对星光的偏折——否则你看不到那颗星星。这种偏折与爱因斯坦理论的预测一致。我们正是利用爱因斯坦关于空间像橡胶一样的想法，建立了一个新的设计范式。

这是另一幅哈勃望远镜所探测到的景象（图12）。这里显示前景是一个红色星系，后面是一个蓝色星系。如果红色星系不存在，你会看到一个蓝点。但因为它在那里，它折射了周围的光，就像玻璃透镜一样。这说明空间确实有一个折射率，爱因斯坦是对的。

图12 引力透镜效应图源：ESA/Hubble & NASA

这引出了我们所谓的变换光学（Transformation optics，图13）。如果我们想控制光线，可以想象它嵌入在一个橡胶片里，或者行为像橡胶的空间中。为了把光线推到我们想要它去的方向，我们则对空间进行设计。记住，你可以像一块橡胶一样改变它——拉伸、扭曲，直到嵌入空间中的光线随橡胶移动，并按你希望的方向前进。所以如何改动材料，光线就移向哪里。如果不扭曲橡胶及其附近区域，光线就保持原位。这一点在我们接下来设计隐身斗篷时将起到非常重要的作用。

图13 控制电磁场图源：J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Science 312, 1780– 1782(2006).

当我们宣布我们可以设计一件隐形斗篷时，引起了相当大的震动。这张图说明了设计斗篷的挑战（图14）。大多数隐形技术依赖于物体尽可能不反射光，这在军事装备的战斗机和轰炸机中已经广泛应用。但“变黑”还不够，因为即使是完全不发光的东西，它仍有影子。

你们中有些人可能知道彼得·潘的故事。彼得·潘是一个失去了影子的小男孩。当他失去影子时，他不仅是“黑色”的，而且是隐形的。那么我们如何让影子消失呢？

图14 彼得·潘“变黑”还不够，他要完全隐形

答案是需要运用变换光学（图15）。它的基本思想是，不能触碰这个球体的内部，所以你不能在这里扭曲任何东西；你也不能扭曲斗篷外部的光线路径，因为光线必须像“什么都没有时”那样前进，只是现在那里有东西了。你能“动手脚”的地方，是围绕球体的渐变区域。现在，把这块区域想象成橡胶，我们来操纵它拉伸、扭动它，直到所有的光线都被从内部区域排出，并集中在斗篷内，而球体内部和斗篷外部的空间不做任何改变。

图15 使用变换光学实现隐形图源：J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Science 312, 1780–1782 (2006).

你可能会认为，让这些光线沿着一条轨迹传播，最终出射的方向和那里什么物体都没有时一模一样，设计出这样的东西是一个巨大的挑战。确实如此，但当掌握了变换光学这项技术，我们能够非常容易地设计出隐形斗篷，可以明确写出斗篷的公式。事实证明，这是超材料和变换光学一个很好的“卖点”。因为人们意识到，如果能如此简单地解决这个看起来几乎不可能的任务，那么这些方法或许可以轻松应对更简单的问题。事实也确实如此。

接下来我将讨论负折射，它同样引起了一些争议。韦谢拉戈早就意识到，如果光线能在负折射介质中向“错误”的方向弯曲，它不可避免地会在该介质中聚焦。

图16 韦谢拉戈的透镜，它可以变完美。图源：JB Pendry Phys. Rev. Let.85, 3966-9(2000).

这些光线向“错误”的方向弯曲，然后聚焦（图16）。顺便说一下，它们还会聚焦在第二个点上。韦谢拉戈知道负折射材料可以制作透镜。唯一的问题是，他写下那篇论文的时候，还没有这样的材料，这种情况一直持续到超材料出现。

在我早先的演讲中，曾提到一个下雨的星期天早晨。那天早上，我一直在思考这个透镜。我突然意识到一个很早就有的定律——阿贝定律，并不总是成立。该定律说，用普通显微镜，你看不到任何小于光的波长的东西。可见光的波长大约是500纳米，看起来非常小，但这正是细胞开始变得有趣的尺寸。我们无法用普通显微镜看到细胞内部，因为它无法分辨里面的东西。阿贝定律曾被认为是一条铁律，而在那个下雨的星期天早晨，我意识到，人们并没有完全理解韦谢拉戈的透镜。如果能用正确的方式制作它，这个透镜将是完美的，但前提是必须以完全正确的方式制作它。

图17 近场超透镜实验图源：Nicholas Fang, Hyesog Lee, Cheng Sun, Xiang Zhang, Science 308, 534–537 (2005).

图17展示了它的一个近似，同样是由伯克利的张翔实验室制成。他们用银（Ag）制作了一个透镜，下面是一个间隔层（PMMA），再下面是他们要看的东西——一块铬（Cr）。由于这些东西太小，显微镜无法看到，你实际上必须把它们“写”在一种材料上，我们称之为光刻胶。光从下方箭头指示的方向入射，波长是365纳米，而你想看的东西只有几十纳米大小。效果如何呢？图17的右侧是光栅的图像，你可以看到，尽管光栅的结构尺度在60纳米左右，但这种技术可以分辨它了。

图18 通过银超透镜成像图源：Science 308, 534–537 (2005).

更令人印象深刻的是图18，你可以看到铬层上刻着“NANO”这个词，标尺为2微米。其中（C）是没有任何透镜时看到的情况，而如果放上银透镜（B），就像戴上眼镜一样，一切都清晰对焦了。右图是一个扫描结果，显示实际上已经将分辨率从大约320纳米提高到了90纳米。当然这还称不上完美，但已经好多了。

超材料的实际应用

现在，在这次演讲剩下的时间里，我想向大家展示我们从爱因斯坦和麦克斯韦方程组的原理出发做的一些有趣实验。这些实验是对理论很好地演示，在这个阶段并非为实用目的而设计，但实验结果表明它们可以转化为实际的产品。我想用剩下的时间快速浏览一些超材料所催生的应用案例。

图19 遥控车与相控阵图源：Echodyne

图19展示的是一个早期的应用。一辆遥控车需要与卫星通信。传统的做法是使用卫星天线，它很重，并且必须可转向以跟踪卫星的位置。一种更好的解决方案是使用所谓的相控阵。后者通常非常昂贵，因为它布满了晶体管。而这里的相控阵是由超材料制成的，事实证明，你可以在不进行任何机械运动的情况下，轻松改变超材料的性质，从而让它指向天空中的任意方向。

Echodyne 公司也在开发同样的技术，用于改善机场安检。现在你必须接受太赫兹扫描：走进这台机器，东西来回转，非常麻烦。有了他们的技术，你只需从机器旁边走过，同时完成扫描。没有问题就直接通过，有问题则被拦下。

图20 使用超材料制成“导磁线” 图源：Richard Syms

这一技术也被应用于核磁共振成像（图20）。图中是我的同事理查德·西姆斯（Richard Syms）。他正在开发提高核磁共振成像扫描速度的新技术。核磁成像接收的信号是磁共振，一个美丽、纯净的磁场。在现有技术中，我们立即将其转换为电信号，而这样的信号转换必须经过一个非常嘈杂的环境。理查德的想法是保持磁性，并设计一种非传统的导线——不是传导电子，而是传导磁性的导线，这样就能保持信号纯净。你可以获得更低的噪音水平。扫描将从20分钟缩短到2分钟左右，这样就能做更多扫描。这是超材料带来的另一件有实用价值的成果。

再举一个例子，一种产生太赫兹辐射的装置，在我提到的扫描技术中便会使用这样的辐射发射装置。原本产生太赫兹波的装置，并不擅长将波发送至给定的地方。在其上方，你可以构建一个超材料结构，它非常擅长从该装置中提取能量。这项工作来自哈佛大学的费德里科·卡帕索（Federico Capasso）的课题组。

哈佛大学课题组的另一个得意之作是制造极薄的透镜。这不是开口谐振环，而是类似半开口谐振环的结构，其中有一些亚波长尺度的小谐振器，你可以看到它们改变了方向和形状，其目的是改变透镜的折射率。与普通透镜的不同之处在于，这种透镜可以只有几纳米厚。你可以用超材料制造极其薄的透镜。

图21 超材料透镜图源：N. Yu, et al., Science, 334, 333–337 (2011).

还有什么应用呢？你们应该看看这个。Kymeta，另一家制造超材料的公司，把卫星通信天线放在了一些丰田汽车的顶部。我不知道如今进展如何，但这辆车从洛杉矶开到了密歇根，整个过程丰田总部一直与它保持联系。或许有一天你的车顶上会有这样的天线，能持续与任何人保持联系。至于你是否喜欢这样做，则是另一个问题了。

图22 Kymeta携手丰田打造超材料卫星通信图源：TOYOTA MOTOR CORPORATION

还有许多的声学超材料。下面这个面板不控制电磁波，而是旨在控制声音（图23）。声音是一种波，而超材料几乎可以控制任何你喜欢的波。这个面板充满了小的谐振器，虽然肉眼几乎不可见，但它们确实存在。这个面板能阻隔声音，布里斯托尔的一家公司已经将其投入市场，用于医院，在重症患者的床边创造一个静音区。

图23 医院测试降噪超材料图源：University of Sussex

日产汽车也在开发类似的技术，使用超材料谐振器来控制汽车内的道路噪音（图24）。汽车在高速公路上高速行驶时的主要噪音来源是道路噪音，而超材料可以帮助消除它。

图24 日产开发轻质声学超材料以减少道路噪音图源：Nissan Motor Co., Ltd.

最后，我想提及一些真正超前的想法。我以前的博士后 Sebastien Guenneau 有一个想法。地震波也是一种波，那么，如果你能把它从像核电站这样非常敏感的目标引开，那应该是很有价值的。这里展示的是一种非常粗糙的超材料，通过在地面钻孔制成（图25）。在蓝色轮廓区域内，你勉强能看到这些孔。在这个阶段它还不是“隐身斗篷”，但核心问题是，这个结构是否会改变波在地球中传播的方式。Sebastian说服了一家石油公司借给他这台重击车。重物被吊起后落下，重击地面并发出波。然后他们测试这个结构是否把这些波送到我们试图送达的地方？答案是肯定的：结果已发表在《物理评论快报》上。

图25 地震超材料实验图源：Phys. Rev. Lett. 112, 133901(2014)

恐怕我没有时间详细解释接下来的例子了（图26）。所以我大致谈谈超材料的下一步是什么？超材料在空间上是结构化的，这正是它们独特性质的来源。但还有另一个维度——时间的维度。如果我们能在时间上非常快地改变材料，那将强烈影响穿过它的辐射。

图26 随时间变化的超材料图源：J. B. Pendry, E. Galiffi, and P. A. Huidobro, “Gain mechanism in time-dependent media,” Optica 8, 636–637(2021).

想象一下，你对折射率进行了某种调制，那会影响光的传播方式。如果你还能让这种调制随着时间改变，那将产生非常不同的效果。

关键在于，如果你开始摆弄时间，你就打破了对于不随时间变化的事物所遵循的一条非常严格的定律——能量守恒。当系统不随时间变化时，物理方程在时间上是可逆的。所以你可以让事物“向前”发展，也可以“向后”。这既是优点也是缺点。如果系统随时间变化，这条定律就被打破了，至少不是原来的形式。你可能找到其他定律，但你缺少了能量守恒那条。你可以制造这样的结构，它将接收一个普通的平面波，压缩它，把能量注入其中。

在伦敦，我们正在探索这些时间晶体的可能性，它们将比常规超材料做出更非凡的事情。

那么，就以此图（图27）为结尾吧，感谢你们的关注。我已经超时了。谢谢大家。

图27 约翰·彭德里以此页PPT为结尾。超材料与变换光学为电磁学开辟了新视野，实现了以下功能：无法或难以通过天然材料实现的材料特性；在所有长度尺度下（低至几纳米）对光的控制；提供用于5G信号的手机天线；用于生物应用的亚波长显微镜目前正在开发中；低成本高效控制太赫兹辐射，如汽车防碰撞雷达和卫星天线；安全高效地从人体内部传输MRI信号；军事机密应用。