【本文轉(zhuǎn)自微信公眾號“科工力量”（ID：guanchacaijing）】

2017年6月23日，一篇名為 Breaking Lorentz reciprocity to overcome the time-bandwidth limit in physics and engineering 的論文發(fā)表在Science雜志上。哪怕是對科研領(lǐng)域非常陌生的人也知道這是物理學界最權(quán)威的核心期刊，而這篇論文的題目本身也十分醒目，中文大致可翻譯為：打破洛倫茲互易性以克服物理和工程中的時間帶寬極限。這樣的標題在以嚴謹認真著稱的學術(shù)界是不多見的，效果當然也是非?！罢痼@”！

貨真價實的顛覆性創(chuàng)新

雖然論文給人的第一印象就是提神醒腦的，很有一種“語不驚人死不休”的感覺。但論文的結(jié)果是實實在在的。

學過大學物理的人都知道基礎的電磁場理論由這4部分構(gòu)成：麥克斯韋方程組、惟一性定理、感應定理還有就是互易性定理了。其中互易性的第一種引理就是洛倫茲引理（不是高中階段了解的洛倫茲變換，這是互易性定理在有限域中的一種引理）

根據(jù)洛倫茲的研究，貝爾實驗室的K. S. Johnson在1914年提出了“時間帶寬極限”這一概念，這是一個工程上的經(jīng)驗法則，被物理學家和工程師承認并沿用至今約100年。不論是光學、聲學、電子諧振系統(tǒng)，如傳感器、傳送帶計數(shù)器、電容電路，還是前沿的微納/慢光波導、到原子/分子結(jié)構(gòu)中的振動關(guān)系、所有類型的諧振腔、晶體振蕩器等等都被時間帶寬極限所限制。

它告訴大家：諧振腔等儲存能量的時間反比于它的帶寬；或者說，存儲能力的時間與系統(tǒng)帶寬的乘積是固定的。這樣在諧振/波導系統(tǒng)中，人們就無法同時系統(tǒng)信號穩(wěn)定的情況下大大提升帶寬。諧振系統(tǒng)的性能用的是質(zhì)量因子Q進行描述，品質(zhì)因子高的系統(tǒng)中存儲的能量耗損慢，數(shù)據(jù)保真時間長。這對于精密測量等領(lǐng)域具有重要的意義，但是受制于這個“極限”測量的信息的保證度和測量取樣的數(shù)量及品質(zhì)無法同時兼顧。所以這一突破的價值將超乎想象。

就是這個公式，是不是和初中所學的T·ω=2π非常像，初中內(nèi)容是該公式的簡化。

洛倫茲互易性是一個物理定律，嚴格來說，它永遠都是對的。

但是在有復雜的宏觀物質(zhì)的時候，不可能一個一個電子來考慮整個系統(tǒng)，所以必須用某種模型來代表這些介質(zhì)。一旦做了這樣的簡化，洛倫茲互易性就不一定成立了，例如非線性的電磁介質(zhì)幾乎一定都會推翻洛倫茲互易性。換句話說，在高能物理里面，考慮的是一個一個分別的基本粒子，所以洛倫茲互易性永遠成立。在固態(tài)物理里面，物質(zhì)都被模型簡化了，所以洛倫茲互易性可以被違反。

這篇新論文并不是找到新的打破洛倫茲互易性的方法，而是利用一種特別的非線性電磁介質(zhì)能打破洛倫茲互易性的性質(zhì)，來推翻1914年的有關(guān)“時間帶寬極限”的工程法則。

最關(guān)鍵的突破點是非對稱

要說非對稱，得先從諾特定理說起。

上世紀理論物理的中心結(jié)果之一是諾特定理，它得名于20世紀初的女性數(shù)學家埃米·諾特， 在1915年被發(fā)現(xiàn)，1918年發(fā)布。雖然牛頓發(fā)表的物理學著作《自然哲學的數(shù)學原理》早就指出物理學科作為一門科學所具有的哲理性，但是直到這個定理的提出，人們才意識到物理學背后蘊藏的哲學可以這么深刻。它僅用經(jīng)典力學的原理就可以認出量子力學的許多物理量，比如和海森堡測不準原理相關(guān)的物理量。甚至僅僅憑生活經(jīng)驗就能得出許多重要的物理規(guī)律：

由物理定律不隨著空間中的位置而變化就能得出線性動量的守恒律；

由物理定律不隨著空間中的角度而變化就能得出角動量的守恒律；

由物理定律不隨著時間的變化而變化就能得出著名的能量守恒定律。

（艾米·諾特像）

這個定理指出對于力學體系的每一個連續(xù)的對稱變換，都有一個守恒量與之對應。反過來我們當然能夠明白，如果這種變換不連續(xù)或者不對稱，原先守恒的量自然就不存在了。時間就是一種只能單向流動的物理量，是以孤立系統(tǒng)的熵總是增加的。

在非連續(xù)性的量子物理中，要實現(xiàn)非對稱的系統(tǒng)，關(guān)鍵在于找出守恒不存在的邊界。這是一項非常難又非常有價值的工作。美籍華人科學家李政道和楊振寧就是因為提出在弱相互作用中宇稱不守恒，并在1956年被吳建雄實驗證明而獲得諾貝爾獎。

而在2008年普林斯頓大學的Haldane教授又提出一項非對稱的理論——光子單向邊緣態(tài)理論，Haldane獲得過2016年的諾貝爾物理學獎。他預言了磁光材料光子晶體的邊界可以存在這種模式。就是這一方法指導科學家最終打破了這一困擾光電諧振/波導系統(tǒng)近百年的魔咒——時間帶寬極限。

(Haldane教授像)