Η αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη είναι ένα φαινόμενο που είναι μεν απλό αλλά αγγίζει τα θεμέλια της κατανόησής μας για το σύμπαν. Η ιστορία του φωτός – πώς κάμπτεται, επιβραδύνεται και αλληλεπιδρά με τον ιστό της πραγματικότητας – απασχολεί τους επιστήμονες εδώ και αιώνες.
Τώρα οι ερευνητές της θεωρητικής φυσικής έχουν φέρει στο φως αποκαλύψεις που θα μπορούσαν να επαναπροσδιορίσουν την αντίληψή μας για το βέλος του χρόνου και να αποκλείσουν την φανταστική ιδέα των ταξιδιών στον χρόνο.
Τα λεπτά σημεία της αλληλεπίδρασης του φωτός με την ύλη
Όπως μπορεί να σας πει οποιοσδήποτε μαθητής Γυμνασίου, όταν το φως συναντά την ύλη, φαίνεται να επιβραδύνεται. Αυτή η παρατήρηση δεν είναι πρωτοποριακή. Η τυπική Κυματική, το θεμέλιο της κατανόησής μας για τα κύματα, περιγράφει αποτελεσματικά αυτές τις καθημερινές αλληλεπιδράσεις.
Σκεφτείτε το φως να πλησιάζει ένα όριο μεταξύ δύο διαφορετικών μέσων – ένα κλασικό πρόβλημα στην Φυσική. Για να καταλάβουν τι συμβαίνει, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν την τυπική εξίσωση κυμάτων, εξετάζοντας προσεκτικά τα χαρακτηριστικά του κύματος φωτός και στις δύο πλευρές αυτής της διασύνδεσης.
Στη συνέχεια αναπτύσσουν ηλεκτρομαγνητικές οριακές συνθήκες, ουσιαστικά μαθηματικά εργαλεία, για να γεφυρώσουν αυτά τα δύο σενάρια, δημιουργώντας αυτό που είναι γνωστό ως τμηματικά συνεχής λύση. Ωστόσο, αυτή η λύση παραλείπει μια κρίσιμη λεπτομέρεια. Στο όριο, το εισερχόμενο φως υφίσταται επιτάχυνση, γεγονός που παραβλέπεται.
Μια νέα διάσταση
Ο επίκουρος καθηγητής του Πανεπιστημίου της Ανατολικής Φινλανδίας, Matias Koivurova έχει ξεπεράσει τα όρια αυτού του κλασικού προβλήματος. «Βασικά, βρήκα έναν πολύ προσεγμένο τρόπο για να εξαγάγω την τυπική εξίσωση κυμάτων σε διαστάσεις 1+1. Η μόνη υπόθεση που χρειαζόμουν ήταν ότι η ταχύτητα του κύματος είναι σταθερή. Μετά σκέφτηκα από μέσα μου: τι γίνεται αν δεν είναι πάντα σταθερή; Αυτό αποδείχθηκε μια πολύ καλή ερώτηση», ανέφερε ο επίκουρος καθηγητής.
Αυτό ο τρόπος έρευνας οδήγησε στη σύλληψη μιας εξίσωσης επιταχυνόμενου κύματος, αναγνωρίζοντας ότι η ταχύτητα ενός κύματος θα μπορούσε, θεωρητικά, να κυμαίνεται με την πάροδο του χρόνου. Η καταγραφή της εξίσωσης ήταν απλή, αλλά η επίλυσή της αποδείχτηκε πιο δύσκολη.
Ο Matias Koivurova αντιμετώπισε ένα διανοητικό παράδοξο. Οι λύσεις αυτής της νέας εξίσωσης ήταν αινιγματικές και δεν ανταποκρίνονταν στις γνωστές συμπεριφορές των κυμάτων. «Κατάλαβα ότι συμπεριφέρεται με τρόπους που θυμίζουν σχετικιστικά αποτελέσματα», τόνισε ο επίκουρος καθηγητής. Ο Matias Koivurova κατάφερε να φτάσει σε αυτό το συμπέρασμα με την συνεργασία με την ομάδα Θεωρητικής Οπτικής και Φωτονικής στο Πανεπιστήμιο του Τάμπερε, υπό την καθοδήγηση του αναπληρωτή καθηγητή Marco Ornigotti.
Αυτή η συνεργασία απέδωσε καρπούς, αποκαλύπτοντας μια απροσδόκητη πτυχή της εξίσωσης επιταχυνόμενου κύματος: καθορίζει σταθερά την κατεύθυνση του χρόνου. Σε αντίθεση με άλλα συστήματα όπου ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, με την έμφαση που δίνει στη συνεχώς αυξανόμενη εντροπία, οριοθετεί τη ροή του χρόνου, το επιταχυνόμενο κύμα υποδηλώνει ότι ο χρόνος έχει μια αμετάβλητη τροχιά προς τα εμπρός.
«Συνήθως, η κατεύθυνση του χρόνου προέρχεται από τη θερμοδυναμική», εξηγεί ο Matias Koivurova. Σε συστήματα με αντίστροφη χρονική ροή, η εντροπία θα μειωνόταν μέχρι να φτάσει σε μια κατάσταση ελάχιστης εντροπίας πριν αυξηθεί για άλλη μια φορά. Αυτή η διχοτόμηση μεταξύ μακροσκοπικών και μικροσκοπικών χρονικών βελών έχει προβληματίσει εδώ και καιρό τους επιστήμονες. Τα μεγαλύτερα συστήματα δείχνουν σαφή χρονική κατευθυντικότητα ενώ η συμπεριφορά των μεμονωμένων σωματιδίων δεν δεσμεύεται από τέτοιους περιορισμούς.
Παρόλα αυτά, ο Koivurova ισχυρίζεται: «Περιμένουμε από τα μεμονωμένα σωματίδια να συμπεριφέρονται σαν να έχουν μια σταθερή κατεύθυνση χρόνου». Η γενική εφαρμογή της εξίσωσης επιταχυνόμενου κύματος σημαίνει ότι αυτή η σταθερή κατεύθυνση του χρόνου εκτείνεται σε όλη τη φύση.
Διευθέτηση μιας αιώνιας διαμάχης
Οι επιπτώσεις επεκτείνονται σε έναν τομέα της Φυσικής γεμάτο διαφωνίες: την διατήρηση της ενέργειας και της ορμής όταν το φως μεταβαίνει σε ένα μέσο. Η διαμάχη Αβραάμ-Μινκόφσκι έχει διχάσει τους φυσικούς, με τα πειραματικά στοιχεία να υποστηρίζουν διφορούμενα τόσο τον ισχυρισμό ότι η ορμή αυξάνεται (Μινκόφσκι) όσο και τον αντίθετο ισχυρισμό ότι μειώνεται (Αβραάμ) όταν το φως εισέρχεται σε ένα μέσο.
«Αυτό που δείξαμε είναι ότι από την άποψη του κύματος, τίποτα δεν συμβαίνει στην ορμή του», δηλώνει ο Koivurova, προτείνοντας ότι η ορμή διατηρείται πέρα από το όριο. Σχετικιστικά φαινόμενα, παρόμοια με εκείνα της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, στηρίζουν αυτή τη διατήρηση. «Βρήκαμε ότι μπορούμε να αποδώσουμε μια ‘κατάλληλη ώρα’ στο κύμα», προσθέτει ο Ornigotti, συμπεραίνοντας ότι τα κύματα βιώνουν ένα διαφορετικό είδος χρονικής διαστολής και συστολής μήκους, φαινόμενα που συνήθως προορίζονται για ταξίδια υψηλής ταχύτητας στον κόσμο.
Μελλοντικοί ορίζοντες
Αυτό το νέο πλαίσιο δεν αναπαράγει απλώς τυπικές λύσεις. Προχωρά παραπέρα, ιδιαίτερα στο πλαίσιο των υλικών που μεταβάλλονται χρονικά. Σε αυτά τα μέσα, το φως υφίσταται απότομες αλλαγές στις ιδιότητες, οδηγώντας σε συμπεριφορές που δεν προβλέπονται από την τυπική εξίσωση κυμάτων. Εδώ, η εξίσωση επιταχυνόμενου κύματος μπορεί να γίνει πρότυπο για καταστάσεις που προηγουμένως απαιτούσαν αριθμητική προσομοίωση.
Ένα τέτοιο θεωρητικό κατασκεύασμα είναι ο διαταραγμένος φωτονικός κρύσταλλος χρόνου, μέσα στον οποίο η ενέργεια ενός φωτεινού κύματος θα μπορούσε, υποθετικά, να αυξηθεί εκθετικά καθώς η ταχύτητά του πέφτει με παρόμοιο τρόπο. «Ο φορμαλισμός μας δείχνει ότι η παρατηρούμενη αλλαγή στην ενέργεια του ρυθμού οφείλεται σε έναν κυρτό χωροχρόνο που βιώνει ο ρυθμός», σημειώνει ο Ornigotti, αναφερόμενος σε σενάρια όπου η διατήρηση της ενέργειας φαίνεται τοπικά παραβιασμένη.
Η εμβέλεια αυτής της έρευνας είναι τεράστια, με πιθανές εφαρμογές που εκτείνονται από την καθημερινή οπτική έως τα πειραματικά τεστ της γενικής σχετικότητας. Παράλληλα ρίχνει φως στο αίνιγμα της προτιμώμενης κατεύθυνσης του χρόνου. Τα ευρήματα, που περιγράφονται λεπτομερώς στη μελέτη με τίτλο «Time-varying media, relativity, and the arrow of time», δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Optica, σηματοδοτώντας ένα σημαντικό ορόσημο στα χρονικά της θεωρητικής Φυσικής.