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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)然也是非常“震驚”！

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(xué)過大學(xué)物理的人都知道基礎(chǔ)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(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(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(dǎo)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(jìn)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(xué)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(yán)格來說，它永遠(yuǎn)都是對的。

但是在有復(fù)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(yuǎn)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(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，但是直到這個定理的提出，人們才意識到物理學(xué)背后蘊藏的哲學(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，比如和海森堡測不準(zhǔn)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(xué)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(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(xué)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(xué)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(xué)獎。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——時間帶寬極限。

(Haldane教授像)