科技日报记者 张佳欣

几十年来，物理学家使用标准波动方程描述光与物质的相互作用。然而，芬兰坦佩雷大学和东芬兰大学的研究团队挑战了传统认知，并推导出了一种适用于加速波的新型波动方程。他们发现，新方程提供了一个明确的时间方向，即“时间之箭”，它与加速波的行为密切相关。相关研究发表在最新一期《光学》杂志上。

对波遇到指数弯曲时空的艺术描绘图。图片来源：东芬兰大学助理教授马蒂亚斯·科伊乌罗娃

单向流动性是时间的一个最明显特征。为什么可以看到生物体衰老而无法看到它们变年轻？事实上，这一问题与物理学上存在一个重大谜团即“时间之箭”相关，它表明时间的流逝朝向一个方向。

传统上，“时间之箭”可以用热力学第二定律来解释。在热力学中，增加的熵表示时间的向前流动。如果时间流逆转，那么熵就会开始减少，直到系统达到最低熵状态，然后熵将再次自由增加。然而，熵是宏观量，它明确定义了大型系统的时间方向，但无法确定个别微观粒子的时间方向。这就是宏观和微观“时间之箭”的区别。

新研究表明，加速波动方程独立地创造了一支“时间之箭”，也就是说，就加速波而言，存在明确的时间方向。这是因为加速波动方程只允许时间向前流动的解，而不允许时间向后流动的解。

由于加速波动方程可以通过几何推导，因此它是通用的，可以解释世界上所有的波动行为。这反过来意味着时间的固定方向也是自然的一个相当普遍的属性。因此，这项研究为“为什么单个粒子具有固定的时间方向”提供了新见解。

这一理论上的突破挑战了人们对宇宙的基本理解，并为令人兴奋的未来研究铺平了道路。从日常的光学现象到广义相对论的实验室测试，它都有着深远的影响，其不仅为波和时间之间的关系提供了新的见解，也让人们得以了解“为什么时间有方向”。