中外科學家聯手 能否打破「時間帶寬極限」百年物理魔咒

2017年6月23日，一篇名為《Breaking Lorentz reciprocity to overcome the time-bandwidth limit in physics and engineering》的論文發表在《Science》雜誌上。哪怕是對科研領域非常陌生的人也知道這是物理學界最權威的核心期刊，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。這樣的標題在以嚴謹認真著稱的學術界是不多見的，效果當然也是非常「震驚」！

貨真價實的顛覆性創新

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，彷彿來到某知名門戶網站的新聞板塊。但是與之不同的是，論文的結果是實實在在的，打破的物理學規律也是真正的基礎規律。有多基礎呢？學過大學物理的人都知道基礎的電磁場理論由這4部分構成：麥克斯韋方程組、惟一性定理、感應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）

根據洛倫茲的研究，K. S. Johnson在1914年提出了「時間帶寬極限」這一概念，被物理學家和工程師承認並沿用至今約100年。不論是光學、聲學、電子諧振系統，如感測器、傳送帶計數器、電容電路，還是前沿的微納/慢光波導、到原子/分子結構中的振動關係、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於它的帶寬；或者說，存儲能力的時間與系統帶寬的乘積是固定的。這樣在諧振/波導系統中，人們就無法同時系統信號穩定的情況下大大提升帶寬。諧振系統的性能用的是質量因子Q進行描述，品質因子高的系統中存儲的能量耗損慢，數據保真時間長。這對於精密測量等領域具有重要的意義，但是受制於這個「極限」測量的信息的保證度和測量取樣的數量及品質無法同時兼顧。所以這一突破的價值將超乎想像。

就是這個公式，是不是和初中所學的T·ω=2π非常像，初中內容是該公式的簡化。

最關鍵的突破點是非對稱

上世紀理論物理的中心結果之一是諾特定理，它得名於20世紀初的女性數學家埃米·諾特， 在1915年被發現，1918年發布。雖然牛頓發表的物理學著作《自然哲學的數學原理》早就指出物理學科作為一門科學所具有的哲理性，但是直到這個定理的提出，人們才意識到物理學背後蘊藏的哲學可以這麼深刻。它僅用經典力學的原理就可以認出量子力學的許多物理量，比如和海森堡測不準原理相關的物理量。甚至僅僅憑生活經驗就能得出許多重要的物理規律：

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恆律；

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恆律；

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恆定律。

（艾米·諾特像）

這個定理指出對於力學體系的每一個連續的對稱變換，都有一個守恆量與之對應。反過來我們當然能夠明白，如果這種變換不連續或者不對稱，原先守恆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，是以孤立系統的熵總是增加的。

在量子物理中，要實現非對稱的系統，關鍵在於找出守恆不存在的邊界。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恆，並在1956年被吳建雄實驗證明而獲得諾貝爾獎。

而在2008 年普林斯頓大學的 Haldane教授又提出一項非對稱的理論——光子單向邊緣態理論，並獲得2016年的諾貝爾物理學獎。他預言了磁光材料光子晶體的邊界可以存在這種模式。就是這一方法指導科學家最終打破了這一困擾光電諧振/波導系統近百年的魔咒——時間帶寬極限。

(Haldane教授像)

波諧振系統工作中波被限制在有限的空間區域內。這種情況下光子（或粒子）的能量會出現量子效應，波的頻率是一系列離散的值，對應不同的諧振模式。這是諧振腔系統在理想條件（無損耗）下的現象，這時諧振模式的壽命時間是無限長，但諧振帶寬為零，即單頻振蕩。實際諧振腔系統往往是有損耗的，或由於內部材料的吸收損耗，或由於與外界的能量交換，這時諧振模式的壽命時間變得有限，相應存在一定的帶寬。諧振模式在時域和頻域上的行為，二者在數學上通過傅里葉變換相聯繫，可以從數學上嚴格地證明，其時間-帶寬之積等於 2π，因此時間-帶寬極限一直以來被認為是不可打破的。

而新的系統應用了磁光材料光子晶體邊界的光子單向邊緣態實現了光子傳播中的非對稱性。當同一種頻率的光子（攜帶有信息）經過系統時，傳統系統還將同時將一批光子以相同頻率發射出去，而新系統利用控制能量以不同速率進入和離開諧振腔的方法，或者說設計進、出時間非對稱的諧振系統，成功打破了一百多年來限制諧振器設計的「時間帶寬極限」。

如圖所示，左右兩部分顯然是不對稱的。而且不對稱程度越高，帶寬就可以越大，太赫茲波段，傳統的時間-帶寬限制已經可以提高上千倍。從理論上說，在這些（時間）不對稱系統中根本沒有上限，帶寬不再受制於能量的存儲時間。用這次提出的方案進行光存儲，可以比現有最好慢光存儲方案的性能提高 40 倍。

對中國物理學具有重要意義

這項研究由來自中國、美國、加拿大和瑞士等4個國家6所大學的9名科研人員合作完成。原在浙江大學國家光學儀器國家重點實驗室從事研究工作的沈林放老師（現為南昌大學空間研究院研究員）為文章的共同第一作者，浙江大學鄭曉東及南昌大學鄧曉華教授為文章共同作者。其中美、加科學家在研究技術路線方面提出了很好的創意，中方人員給出了具體而且非常有說服力的解決方案，該解決方案得到審稿人的讚賞。數值模擬工作由南昌大學鄧曉華團隊和浙江大學研究人員在共同努力下完成。

當然根據共同第一作者之一的沈林放教授描述，在論文寫作部分，國外著名科學家發揮了不可替代的關鍵作用。這是中國理論物理界現狀的真實反映。受限於長期以來的投入，理論物理界既不像文學界在改革開放後取得驚人的進步，又不像生物學界趕上八十年代世界科研大方向轉變的順風車。所以莫言能取得諾貝爾文學獎，屠呦呦能獲得諾貝爾醫學獎，而中國理論物理學界能進入諾獎提名都難。

這次的成果無疑具有非常重要的實際價值，如果繼續努力很有可能出現新的突破，隱身衣、AR、VR都有可能成為現實，未來也有可能被授予諾貝爾獎。

現有方案證明了時間帶寬極限是可以打破的，但所使用的方法仍不容易實現和推廣，主要原因是目前光波段還缺乏磁光效應足夠強的材料，這就是科學家把研究案例放在太赫茲波段的原因，但相信未來科學家會研製出光波段的強磁光新材料。由國外科學家提供的創意是相對不變的，實驗的繼續還有有賴於新的實驗方案和實驗材料。也就是說未來這個領域，國內的話語權會越來越強。沈教授也表示：「接下來我們將在方案的具體器件開發和應用方面開展進一步研究，以便使我們在這方面的工作繼續保持領先地位。」

（作者：余鵬鯤）

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