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中外科学家联手 能否打破“时间带宽极限”百年物理魔咒
送交者: 索探[首辅宰相★★★★★] 于 2017-07-13 13:48 已读 19 次  

2017年6月23日,一篇名为 Breaking Lorentz reciprocity to overcome the time-bandwidth limit in physics and engineering 的论文发表在Science杂志上。哪怕是对科研领域非常陌生的人也知道这是物理学界最权威的核心期刊,而这篇论文的题目本身也十分醒目,中文大致可翻译为:打破洛伦兹互易性以克服物理和工程中的时间带宽极限。这样的标题在以严谨认真著称的学术界是不多见的,效果当然也是非常“震惊”!

货真价实的颠覆性创新

虽然论文给人的第一印象就是提神醒脑的,很有一种“语不惊人死不休”的感觉。但论文的结果是实实在在的。

学过大学物理的人都知道基础的电磁场理论由这4部分构成:麦克斯韦方程组、惟一性定理、感应定理还有就是互易性定理了。其中互易性的第一种引理就是洛伦兹引理(不是高中阶段了解的洛伦兹变换,这是互易性定理在有限域中的一种引理)

根据洛伦兹的研究,贝尔实验室的K. S. Johnson在1914年提出了“时间带宽极限”这一概念,这是一个工程上的经验法则,被物理学家和工程师承认并沿用至今约100年。不论是光学、声学、电子谐振系统,如传感器、传送带计数器、电容电路,还是前沿的微纳/慢光波导、到原子/分子结构中的振动关系、所有类型的谐振腔、晶体振荡器等等都被时间带宽极限所限制。

它告诉大家:谐振腔等储存能量的时间反比于它的带宽;或者说,存储能力的时间与系统带宽的乘积是固定的。这样在谐振/波导系统中,人们就无法同时系统信号稳定的情况下大大提升带宽。谐振系统的性能用的是质量因子Q进行描述,品质因子高的系统中存储的能量耗损慢,数据保真时间长。这对于精密测量等领域具有重要的意义,但是受制于这个“极限”测量的信息的保证度和测量取样的数量及品质无法同时兼顾。所以这一突破的价值将超乎想象。

就是这个公式,是不是和初中所学的T·ω=2π非常像,初中内容是该公式的简化。

洛伦兹互易性是一个物理定律,严格来说,它永远都是对的。

但是在有复杂的宏观物质的时候,不可能一个一个电子来考虑整个系统,所以必须用某种模型来代表这些介质。一旦做了这样的简化,洛伦兹互易性就不一定成立了,例如非线性的电磁介质几乎一定都会推翻洛伦兹互易性。换句话说,在高能物理里面,考虑的是一个一个分别的基本粒子,所以洛伦兹互易性永远成立。在固态物理里面,物质都被模型简化了,所以洛伦兹互易性可以被违反。

这篇新论文并不是找到新的打破洛伦兹互易性的方法,而是利用一种特别的非线性电磁介质能打破洛伦兹互易性的性质,来推翻1914年的有关“时间带宽极限”的工程法则。

最关键的突破点是非对称

要说非对称,得先从诺特定理说起。

上世纪理论物理的中心结果之一是诺特定理,它得名于20世纪初的女性数学家埃米·诺特, 在1915年被发现,1918年发布。虽然牛顿发表的物理学著作《自然哲学的数学原理》早就指出物理学科作为一门科学所具有的哲理性,但是直到这个定理的提出,人们才意识到物理学背后蕴藏的哲学可以这么深刻。它仅用经典力学的原理就可以认出量子力学的许多物理量,比如和海森堡测不准原理相关的物理量。甚至仅仅凭生活经验就能得出许多重要的物理规律:

由物理定律不随着空间中的位置而变化就能得出线性动量的守恒律;

由物理定律不随着空间中的角度而变化就能得出角动量的守恒律;

由物理定律不随着时间的变化而变化就能得出著名的能量守恒定律。

(艾米·诺特像)

这个定理指出对于力学体系的每一个连续的对称变换,都有一个守恒量与之对应。反过来我们当然能够明白,如果这种变换不连续或者不对称,原先守恒的量自然就不存在了。时间就是一种只能单向流动的物理量,是以孤立系统的熵总是增加的。

在非连续性的量子物理中,要实现非对称的系统,关键在于找出守恒不存在的边界。这是一项非常难又非常有价值的工作。美籍华人科学家李政道和杨振宁就是因为提出在弱相互作用中宇称不守恒,并在1956年被吴建雄实验证明而获得诺贝尔奖。

而在2008年普林斯顿大学的Haldane教授又提出一项非对称的理论——光子单向边缘态理论,Haldane获得过2016年的诺贝尔物理学奖。他预言了磁光材料光子晶体的边界可以存在这种模式。就是这一方法指导科学家最终打破了这一困扰光电谐振/波导系统近百年的魔咒——时间带宽极限。

(Haldane教授像)

波谐振系统工作中波被限制在有限的空间区域内。这种情况下光子(或粒子)的能量会出现量子效应,波的频率是一系列离散的值,对应不同的谐振模式。这是谐振腔系统在理想条件(无损耗)下的现象,这时谐振模式的寿命时间是无限长,但谐振带宽为零,即单频振荡。实际谐振腔系统往往是有损耗的,或由于内部材料的吸收损耗,或由于与外界的能量交换,这时谐振模式的寿命时间变得有限,相应存在一定的带宽。谐振模式在时域和频域上的行为,二者在数学上通过傅里叶变换相联系,可以从数学上严格地证明,其时间-带宽之积等于 2π,因此时间-带宽极限一直以来被认为是不可打破的。

而新的系统应用了磁光材料光子晶体边界的光子单向边缘态实现了光子传播中的非对称性。当同一种频率的光子(携带有信息)经过系统时,传统系统还将同时将一批光子以相同频率发射出去,而新系统利用控制能量以不同速率进入和离开谐振腔的方法,或者说设计进、出时间非对称的谐振系统,成功打破了一百多年来限制谐振器设计的“时间带宽极限”。

如图所示,左右两部分显然是不对称的。而且不对称程度越高,带宽就可以越大,太赫兹波段,传统的时间-带宽限制已经可以提高上千倍。从理论上说,在这些(时间)不对称系统中根本没有上限,带宽不再受制于能量的存储时间。用这次提出的方案进行光存储,可以比现有最好慢光存储方案的性能提高 40 倍。

对中国物理学具有重要意义

这项研究由来自中国、美国、加拿大和瑞士等4个国家6所大学的9名科研人员合作完成。原在浙江大学国家光学仪器国家重点实验室从事研究工作的沈林放老师(现为南昌大学空间研究院研究员)为文章的共同第一作者,浙江大学郑晓东及南昌大学邓晓华教授为文章共同作者。其中美、加科学家在研究技术路线方面提出了很好的创意,中方人员给出了具体而且非常有说服力的解决方案,该解决方案得到审稿人的赞赏。数值模拟工作由南昌大学邓晓华团队和浙江大学研究人员在共同努力下完成。

当然根据共同第一作者之一的沈林放教授描述,在论文写作部分,国外著名科学家发挥了不可替代的关键作用。这是中国理论物理界现状的真实反映。受限于长期以来的投入,理论物理界既不像文学界在改革开放后取得惊人的进步,又不像生物学界赶上八十年代世界科研大方向转变的顺风车。所以莫言能取得诺贝尔文学奖,屠呦呦能获得诺贝尔医学奖,而中国理论物理学界能进入诺奖提名都难。

这次的成果无疑具有非常重要的实际价值,如果继续努力很有可能出现新的突破,隐身衣、AR、VR都有可能成为现实,未来也有可能被授予诺贝尔奖。

现有方案证明了时间带宽极限是可以打破的,但所使用的方法仍不容易实现和推广,主要原因是目前光波段还缺乏磁光效应足够强的材料,这就是科学家把研究案例放在太赫兹波段的原因,但相信未来科学家会研制出光波段的强磁光新材料。由国外科学家提供的创意是相对不变的,实验的继续还有赖于新的实验方案和实验材料。也就是说未来这个领域,国内的话语权会越来越强。沈教授也表示:“接下来我们将在方案的具体器件开发和应用方面开展进一步研究,以便使我们在这方面的工作继续保持领先地位。”

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