加速波揭示了物理学中的重大问题
发布时间：2023-10-23 10:20:36 阅读数： 70
艺术描绘波遇到指数弯曲的时空。资料来源：东芬兰大学 Matias Koivurova
每当光与物质发生相互作用时，光的速度就会减慢。这并不是一个新的观察结果，标准波动力学可以描述大多数这些日常现象。
例如，当光线入射到一个界面上时，两边都满足标准波方程。要分析解决这样的问题，首先要找到波在界面两侧的样子，然后利用电磁边界条件将两侧连接起来。这就是所谓的片断连续解法。
然而，在边界处，入射光必须经历一个加速度。到目前为止，这一点还没有被考虑在内。
"基本上，我找到了一种非常简便的方法来推导 1+1 维的标准波方程。我唯一需要的假设是波的速度是恒定的。然后我就想：如果它并不总是恒定的呢？东芬兰大学的助理教授马蒂亚斯-科伊武罗瓦（Matias Koivurova）说："这真是一个好问题。
通过假设波的速度会随时间变化，研究人员写出了他们称之为加速波方程的东西。虽然写下方程很简单，但解方程却是另一回事。
"解方程似乎没有任何意义。后来我才恍然大悟，它的行为方式让人联想到相对论效应，"Koivurova 回忆道。
研究人员与坦佩雷大学副教授马尔科-奥尼戈蒂（Marco Ornigotti）领导的理论光学和光子学小组合作，终于取得了进展。为了获得符合预期的解决方案，他们需要一个恒定的参考速度--真空光速。
科伊武罗娃说，意识到这一点后，一切都变得有意义了。接下来，研究人员对形式主义的深远影响进行了调查，结果令人吃惊。
这项题为 "时变介质、相对论和时间之箭 "的研究于 2023 年 10 月 19 日发表在《光学》（Optica）杂志上。
时间机器无望？
研究人员的一项突破性成果表明，就加速波而言，存在一个明确的时间方向，即所谓的 "时间之箭"。这是因为加速波方程只允许时间向前流动，而绝不允许时间向后流动。
"科伊武罗娃说："通常，时间的方向来自热力学，熵的增加表明了时间的流向。
然而，如果时间流向逆转，那么熵就会开始减少，直到系统达到最低熵态。然后，熵将自由地再次增加。
这就是 "宏观 "和 "微观 "时间箭头之间的区别：熵明确定义了大型系统的时间方向，但没有任何东西可以固定单个粒子的时间方向。
"科伊武罗娃说："然而，我们期望单个粒子的行为就像它们有固定的时间方向一样。
由于加速波方程可以从几何因素中推导出来，因此它具有普遍性，可以解释世界上所有的波行为。这反过来又意味着，固定的时间方向也是自然界的一个相当普遍的属性。
相对论战胜争议
该框架的另一个特性是，它可以用来分析建模处处连续的波，甚至是跨界面的波。这反过来又对能量和动量守恒产生了一些重要影响。
"物理学界有一个非常著名的争论，叫做亚伯拉罕-闵科夫斯基之争。争论的焦点是，当光进入介质时，它的动量会发生什么变化？闵科夫斯基说动量会增加，而亚伯拉罕则坚持认为动量会减少，"Ornigotti 解释说。
值得注意的是，双方都有实验证据支持。
"我们已经证明，从波的角度来看，它的动量不会发生任何变化。换句话说，波的动量是守恒的。
实现动量守恒的是相对论效应。"我们发现，我们可以赋予波一个'适当的时间'，这完全类似于广义相对论中的适当时间，"Ornigotti 说。
由于波经历的时间与实验室时间不同，研究人员发现加速波也经历了时间膨胀和长度收缩。科伊武罗娃指出，正是长度收缩使波的动量在物质介质中似乎不守恒。
奇异的应用
在大多数问题中，新方法都等同于标准公式，但它有一个重要的扩展：时变材料。在时变介质中，光的材料属性会发生突然而均匀的变化。这种材料内部的波不是标准波方程的解。
这就是加速波方程出现的原因。它使研究人员能够对以前只能通过数值模拟的情况进行分析建模。
这种情况包括一种被称为无序光子时间晶体的奇异假想材料。最近的理论研究表明，在上述材料内部传播的波会以指数形式减慢，同时能量也会以指数形式增加。
"我们的形式主义表明，观测到的脉冲能量变化是由于脉冲经历了弯曲的时空。在这种情况下，能量守恒被局部违反了，"Ornigotti 说。
这项研究具有广泛的意义，从日常的光学效应到广义相对论的实验室测试，同时还让人们了解了为什么时间具有优先方向。
参考资料
Matias Koivurova et al, Time-varying media, relativity, and the arrow of time, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.494630
