Решение сложной проблемы со светом показывает, что время может идти только вперед

Поведение света может быть также фундаментально связано со стрелой времени.

Свет – это то, с чем мы хорошо знакомы в нашем мире, но при детальном рассмотрении он все же может подкинуть несколько невероятных сюрпризов. Один из них, недавно обнаруженный, связан с довольно хорошо известным явлением: что происходит, когда свет проходит через границу раздела фаз? Это может быть стекло, вода или что-то совершенно иное. Решение этой проблемы уже давно найдено, но теперь ученые обнаружили нечто странное, происходящее посередине.

При прохождении света через границу раздела фаз его скорость меняется. Решением для поведения света по ту или иную сторону границы раздела является хорошо известное стандартное волновое уравнение. Это можно без проблем связать (кусочно-непрерывное решение), но это все равно не объясняет, что происходит на самой границе раздела. Там волна должна испытывать ускорение, которое не учитывается существующим решением. 

• Тоже интересно: Вселенная может быть в два раза старше, чем мы думали

Теперь было получено уравнение для случая Вселенной с одним пространственным и одним временным измерениями.

“По сути, я нашел очень аккуратный способ вывести стандартное волновое уравнение в измерениях 1+1. Единственное предположение, которое мне потребовалось, – это то, что скорость волны постоянна. Затем я подумал: а что, если она не всегда постоянна? Это оказался действительно хороший вопрос”, – сказал в своем заявлении ведущий автор работы доцент Матиас Койвурова из Университета Восточной Финляндии.

Команда пришла к уравнению ускоряющейся волны. Сначала решение не имело смысла, но физики поняли, что им нужна опорная скорость: скорость света в вакууме. Решение уравнения дало правильное решение как на границе раздела, так и по обе стороны от нее, но у него есть одно важнейшее требование. Оно нуждается во времени, чтобы двигаться только вперед.

Распространение света также может зависеть исключительно от движения времени вперед.

Стрела времени – понятие, достаточно важное в науке. Чаще всего в физике мы говорим о термодинамической стреле времени. Во всех изолированных системах с течением времени энтропия возрастает. Это явно задает направление времени.

И это уравнение, несмотря на то, что оно имеет только одно измерение, позволяет предположить, что стрела времени не просто исходит из термодинамики, а может быть неотъемлемым свойством природы, которому должен подчиняться даже распространяющийся свет.

Для оптики решение этого уравнения означает разрешение давнего спора, который долгие годы ставил физиков в тупик.

“В физике существует очень известный спор, который называется спором Абрахама-Минковского. Суть спора заключается в том, что когда свет попадает в среду, что происходит с его импульсом? Минковский говорил, что импульс увеличивается, а Абрахам настаивал на том, что он уменьшается”, – пояснил руководитель исследования профессор Марко Орниготти.

• Тоже интересно: Вся Вселенная может быть обречена на испарение

Экспериментальные данные подтверждают обе стороны, и согласно новому уравнению импульс сохраняется благодаря релятивистским эффектам. Он кажется увеличивающимся или уменьшающимся в зависимости от того, как на него смотреть.

Мы обнаружили, что можем приписать волне “собственное время”, которое полностью аналогично собственному времени в общей теории относительности”, – продолжил Орниготти.

В этой работе мы переходим от конкретной оптической загадки к возможной фундаментальной истине Вселенной. И если стрела времени всегда идет в одном направлении, то, возможно, нам придется распрощаться с мечтами о путешествиях в прошлое”.

Исследование опубликовано в журнале Optica.

Читайте также: 5 новых удивительных открытий о свете