Может ли время идти только вперед? Решение сложной проблемы со светом предполагает «да»
Свет – это то, с чем мы хорошо знакомы в нашем мире, но он все еще способен преподнести невероятные сюрпризы, если рассмотреть его детально. Один из таких сюрпризов связан с хорошо известным явлением: что происходит, когда свет проходит через границу между двумя средами? Это может быть стекло, вода или что-то совершенно другое. Решение этой задачи давно найдено, но теперь ученые обнаружили что-то странное, происходящее именно на границе.
Когда свет проходит через границу, его скорость меняется. Поведение света по одну и другую сторону границы описывается стандартным волновым уравнением. Эти решения можно связать между собой (составное непрерывное решение), но это не объясняет, что происходит непосредственно на самой границе. Именно там волна должна испытывать ускорение, которое не учитывается текущим решением.
В 2023 году исследователи предложили уравнение для случая вселенной с одним пространственным и одним временным измерением.
«В основном, я нашел очень элегантный способ вывести стандартное волновое уравнение в 1+1 измерениях. Единственное предположение, которое мне понадобилось, – это то, что скорость волны постоянна. Затем я подумал: а что, если она не всегда постоянна? Этот вопрос оказался действительно интересным», – заявил ведущий автор исследования, доцент Маттиас Коивурова из Восточно-Финляндского университета.
Команда разработала уравнение для ускоряющейся волны. Сначала решение не имело смысла, но затем физики поняли, что им необходима отправная скорость – скорость света в вакууме. Решение уравнения дало корректный результат как на границе, так и по обе стороны от нее, но с одним важным условием: время должно двигаться только вперед.
Стрела времени – это концепция, имеющая большое значение в науке. Чаще всего в физике мы говорим о термодинамической стреле времени. Во всех изолированных системах энтропия увеличивается с течением времени, что четко указывает направление времени.
Это уравнение, несмотря на то, что оно описывает лишь одно измерение, предполагает, что стрела времени может быть не просто следствием термодинамики, но и фундаментальным свойством природы, которому должно подчиняться даже распространяющееся световое излучение.
Для оптики решение этого уравнения означает устранение давней проблемы, которая сбивала с толку физиков много лет.
«Существует очень известная дискуссия в физике, называемая спором Абрахама-Минковского. Вопрос в том, что происходит с импульсом света, когда он входит в среду? Минковский утверждал, что импульс увеличивается, в то время как Абрахам настаивал, что он уменьшается», – пояснил профессор Марко Орниготти, руководитель исследования.
Экспериментальные данные поддерживают обе точки зрения, и согласно уравнению импульс сохраняется благодаря релятивистским эффектам. Кажется, что он увеличивается или уменьшается, в зависимости от того, как на это смотреть.
«Мы обнаружили, что можем присвоить волне «собственное время», которое полностью аналогично собственному времени в общей теории относительности», – добавил Орниготти.
Работа переносит исследование от конкретной оптической задачи к возможной фундаментальной истине о Вселенной. Если стрела времени всегда направлена в одну сторону, возможно, нам придется попрощаться с мечтами о путешествиях во времени в прошлое.
Исследование опубликовано в журнале .