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“時間之箭”射向何方?加速波揭示物理學重大問題

2023年10月24日 10:34 | 作者:張佳欣 | 來源:科技日報 分享到: 

對波遇到指數彎曲時空的藝術描繪圖。圖片來源:東芬蘭大學助理教授馬蒂亞斯·科伊烏羅娃

幾十年來,物理學家使用標準波動方程描述光與物質的相互作用。然而,芬蘭坦佩雷大學和東芬蘭大學的研究團隊挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認知,并推導出了一種適用于加速波的新型波動方程。他們發(fā)現,新方程提供了一個明確的時間方向,即“時間之箭”,它與加速波的行為密切相關。相關研究發(fā)表在最新一期《光學》雜志上。

單向流動性是時間的一個最明顯特征。為什么可以看到生物體衰老而無法看到它們變年輕?事實上,這一問題與物理學上存在一個重大謎團即“時間之箭”相關,它表明時間的流逝朝向一個方向。

傳統(tǒng)上,“時間之箭”可以用熱力學第二定律來解釋。在熱力學中,增加的熵表示時間的向前流動。如果時間流逆轉,那么熵就會開始減少,直到系統(tǒng)達到最低熵狀態(tài),然后熵將再次自由增加。然而,熵是宏觀量,它明確定義了大型系統(tǒng)的時間方向,但無法確定個別微觀粒子的時間方向。這就是宏觀和微觀“時間之箭”的區(qū)別。

新研究表明,加速波動方程獨立地創(chuàng)造了一支“時間之箭”,也就是說,就加速波而言,存在明確的時間方向。這是因為加速波動方程只允許時間向前流動的解,而不允許時間向后流動的解。

由于加速波動方程可以通過幾何推導,因此它是通用的,可以解釋世界上所有的波動行為。這反過來意味著時間的固定方向也是自然的一個相當普遍的屬性。因此,這項研究為“為什么單個粒子具有固定的時間方向”提供了新見解。

這一理論上的突破挑戰(zhàn)了人們對宇宙的基本理解,并為令人興奮的未來研究鋪平了道路。從日常的光學現象到廣義相對論的實驗室測試,它都有著深遠的影響,其不僅為波和時間之間的關系提供了新的見解,也讓人們得以了解“為什么時間有方向”。

編輯:馬嘉悅

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