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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(duì)科研領(lǐng)域非常陌生的人也知道這是物理學(xué)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(shí)間帶寬極限。這樣的標(biāo)題在以嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真著稱(chēng)的學(xué)術(shù)界是不多見(jiàn)的，效果當(dāng)然也是非?！罢痼@”！

貨真價(jià)實(shí)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(yǔ)不驚人死不休”的感覺(jué)。但論文的結(jié)果是實(shí)實(shí)在在的。

學(xué)過(guò)大學(xué)物理的人都知道基礎(chǔ)的電磁場(chǎng)理論由這4部分構(gòu)成：麥克斯韋方程組、惟一性定理、感應(yīng)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(shí)驗(yàn)室的K. S. Johnson在1914年提出了“時(shí)間帶寬極限”這一概念，這是一個(gè)工程上的經(jīng)驗(yàn)法則，被物理學(xué)家和工程師承認(rèn)并沿用至今約100年。不論是光學(xué)、聲學(xué)、電子諧振系統(tǒng)，如傳感器、傳送帶計(jì)數(shù)器、電容電路，還是前沿的微納/慢光波導(dǎo)、到原子/分子結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)關(guān)系、所有類(lèi)型的諧振腔、晶體振蕩器等等都被時(shí)間帶寬極限所限制。

它告訴大家：諧振腔等儲(chǔ)存能量的時(shí)間反比于它的帶寬；或者說(shuō)，存儲(chǔ)能力的時(shí)間與系統(tǒng)帶寬的乘積是固定的。這樣在諧振/波導(dǎo)系統(tǒng)中，人們就無(wú)法同時(shí)系統(tǒng)信號(hào)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(jìn)行描述，品質(zhì)因子高的系統(tǒng)中存儲(chǔ)的能量耗損慢，數(shù)據(jù)保真時(shí)間長(zhǎng)。這對(duì)于精密測(cè)量等領(lǐng)域具有重要的意義，但是受制于這個(gè)“極限”測(cè)量的信息的保證度和測(cè)量取樣的數(shù)量及品質(zhì)無(wú)法同時(shí)兼顧。所以這一突破的價(jià)值將超乎想象。

就是這個(gè)公式，是不是和初中所學(xué)的T·ω=2π非常像，初中內(nèi)容是該公式的簡(jiǎn)化。

洛倫茲互易性是一個(gè)物理定律，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，它永遠(yuǎn)都是對(duì)的。

但是在有復(fù)雜的宏觀物質(zhì)的時(shí)候，不可能一個(gè)一個(gè)電子來(lái)考慮整個(gè)系統(tǒng)，所以必須用某種模型來(lái)代表這些介質(zhì)。一旦做了這樣的簡(jiǎn)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(huì)推翻洛倫茲互易性。換句話說(shuō)，在高能物理里面，考慮的是一個(gè)一個(gè)分別的基本粒子，所以洛倫茲互易性永遠(yuǎn)成立。在固態(tài)物理里面，物質(zhì)都被模型簡(jiǎn)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(lái)推翻1914年的有關(guān)“時(shí)間帶寬極限”的工程法則。

最關(guān)鍵的突破點(diǎn)是非對(duì)稱(chēng)

要說(shuō)非對(duì)稱(chēng)，得先從諾特定理說(shuō)起。

上世紀(jì)理論物理的中心結(jié)果之一是諾特定理，它得名于20世紀(jì)初的女性數(shù)學(xué)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(xué)著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》早就指出物理學(xué)科作為一門(mén)科學(xué)所具有的哲理性，但是直到這個(gè)定理的提出，人們才意識(shí)到物理學(xué)背后蘊(yùn)藏的哲學(xué)可以這么深刻。它僅用經(jīng)典力學(xué)的原理就可以認(rèn)出量子力學(xué)的許多物理量，比如和海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理相關(guān)的物理量。甚至僅僅憑生活經(jīng)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)量的守恒律；

由物理定律不隨著時(shí)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(gè)定理指出對(duì)于力學(xué)體系的每一個(gè)連續(xù)的對(duì)稱(chēng)變換，都有一個(gè)守恒量與之對(duì)應(yīng)。反過(guò)來(lái)我們當(dāng)然能夠明白，如果這種變換不連續(xù)或者不對(duì)稱(chēng)，原先守恒的量自然就不存在了。時(shí)間就是一種只能單向流動(dòng)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(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)的系統(tǒng)，關(guān)鍵在于找出守恒不存在的邊界。這是一項(xiàng)非常難又非常有價(jià)值的工作。美籍華人科學(xué)家李政道和楊振寧就是因?yàn)樘岢鲈谌跸嗷プ饔弥杏罘Q(chēng)不守恒，并在1956年被吳建雄實(shí)驗(yàn)證明而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

而在2008年普林斯頓大學(xué)的Haldane教授又提出一項(xiàng)非對(duì)稱(chēng)的理論——光子單向邊緣態(tài)理論，Haldane獲得過(guò)2016年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他預(yù)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(dǎo)科學(xué)家最終打破了這一困擾光電諧振/波導(dǎo)系統(tǒng)近百年的魔咒——時(shí)間帶寬極限。

(Haldane教授像)