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中外科學(xué)家聯(lián)手 能否打破“時(shí)間帶寬極限”百年物理魔咒
關(guān)鍵字: 時(shí)間帶寬極限百年物理規(guī)律【本文轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào)“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(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)真著稱的學(xué)術(shù)界是不多見的,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“語不驚人死不休”的感覺。但論文的結(jié)果是實(shí)實(shí)在在的。
學(xué)過大學(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,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)格來說,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)電子來考慮整個(gè)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(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,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
要說非對(duì)稱,得先從諾特定理說起。
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)稱變換,都有一個(gè)守恒量與之對(duì)應(yīng)。反過來我們當(dāng)然能夠明白,如果這種變換不連續(xù)或者不對(duì)稱,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(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)
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