Istraživači sa Sveučilišta Tampere i Sveučilišta Istočne Finske postigli su značajan napredak u studiji gdje su izveli novu vrstu valne jednadžbe koja se primjenjuje na ubrzavajuće valove. Tema ubrzavajući valovi privlači veliku pažnju zbog svog potencijala u razumijevanju osnovnih fizičkih principa. Ovaj novi formalizam pokazao se kao neočekivano plodno tlo za ispitivanje mehanike valova, s izravnim vezama između ubrzavajućih valova, opće teorije relativnosti, kao i strelice vremena.
Kada svjetlost stupa u interakciju s materijom, čini se da se usporava. Iako ovo nije novo opažanje i standardna valna mehanika može opisati većinu ovih svakodnevnih pojava, dosad nije uzeto u obzir da upadna svjetlost mora doživjeti ubrzanje na granici medija.
Otkriće ubrzavajućih valova i nova valna jednadžba
Asistent profesor Matias Koivurova sa Sveučilišta Istočne Finske otkrio je elegantan način za izvođenje standardne valne jednadžbe, no postavio je ključno pitanje: što ako brzina vala nije uvijek konstantna? Pretpostavljajući da se brzina vala može mijenjati s vremenom, istraživači su uspjeli formulirati ono što nazivaju jednadžbom za ubrzavajuće valove.
Iako je jednadžbu bilo jednostavno napisati, njezino rješavanje pokazalo se izazovnim. Rješenja su se u početku činila nelogičnima, ali Koivurova je primijetio da se ponašaju na način koji podsjeća na relativističke efekte. Uz suradnju s grupom za Teorijsku optiku i fotoniku pod vodstvom izvanrednog profesora Marca Ornigottija sa Sveučilišta Tampere, postignut je napredak.
Za dobivanje očekivanih rješenja, bio je potreban konstantan referentni brzinski okvir – brzina svjetlosti u vakuumu. Kada su to shvatili, sve je sjelo na svoje mjesto, a uslijedila je istraga dalekosežnih posljedica novog formalizma.
Strelica vremena: Zašto vrijeme teče samo naprijed?
U revolucionarnom rezultatu, istraživači su pokazali da, u smislu ubrzavajućih valova, postoji jasno definiran smjer vremena; takozvana ‘strelica vremena’. To je zato što jednadžba za ubrzavajuće valove dopušta samo rješenja gdje vrijeme teče naprijed, ali nikada unatrag.
Uobičajeno, smjer vremena proizlazi iz termodinamike, gdje rastuća entropija pokazuje u kojem se smjeru vrijeme kreće. Međutim, entropija definira smjer vremena za velike sustave nedvosmisleno, ali ništa ne fiksira smjer vremena za pojedine čestice, iako se očekuje da se ponašaju kao da imaju fiksni smjer vremena.
Budući da se jednadžba za ubrzavajuće valove može izvesti iz geometrijskih razmatranja, ona je općenita i objašnjava sva valna ponašanja u svijetu. To zauzvrat znači da je fiksni smjer vremena također prilično opće svojstvo prirode.
Relativnost rješava Abraham-Minkowski kontroverzu
Još jedno svojstvo ovog okvira je da se može koristiti za analitičko modeliranje valova koji su kontinuirani svugdje, čak i preko granica. To pak ima važne implikacije za očuvanje energije i momenta.
U fizici postoji vrlo poznata rasprava, nazvana Abraham-Minkowski kontroverza, koja se odnosi na to što se događa s momentom svjetlosti kada uđe u medij. Minkowski je tvrdio da se moment povećava, dok je Abraham inzistirao da se smanjuje, s eksperimentalnim dokazima koji podupiru obje strane.
Istraživači su pokazali da, s gledišta vala, ništa se ne događa s njegovim momentom. Drugim riječima, moment vala je očuvan. Očuvanje momenta omogućuju relativistički efekti, jer su otkrili da se valu može pripisati ‘vlastito vrijeme‘, što je potpuno analogno vlastitom vremenu u općoj teoriji relativnosti.
Budući da val doživljava vrijeme koje se razlikuje od laboratorijskog vremena, istraživači su otkrili da ubrzavajući valovi također doživljavaju dilataciju vremena i kontrakciju duljine. Upravo kontrakcija duljine čini da se čini da moment vala nije očuvan unutar materijalnog medija.
Egzotične primjene nove teorije ubrzavajućih valova
Novi pristup ekvivalentan je standardnoj formulaciji u većini problema, ali ima važno proširenje: vremenski promjenjive materijale. Unutar takvih medija, svjetlost će doživjeti iznenadne i jednolične promjene u svojstvima materijala, a valovi unutar takvih materijala nisu rješenja standardne valne jednadžbe.
Ovdje jednadžba za ubrzavajuće valove dolazi do izražaja, omogućujući istraživačima analitičko modeliranje situacija koje su prije bile dostupne samo numerički. Takve situacije uključuju egzotični hipotetski materijal nazvan neuređeni fotonski vremenski kristal. Teorijska istraživanja pokazala su da će se val koji se širi unutar spomenutog materijala eksponencijalno usporavati, dok će se njegova energija također eksponencijalno povećavati.
Formalizam pokazuje da je u takvim slučajevima, gdje energija pulsa raste, promjena energije posljedica zakrivljenog prostor-vremena koje puls doživljava, pri čemu je očuvanje energije lokalno narušeno. Istraživanje ima dalekosežne implikacije, od svakodnevnih optičkih efekata do laboratorijskih testova opće teorije relativnosti, dajući pritom uvid u to zašto vrijeme ima preferirani smjer.
Često postavljana pitanja (FAQ)
Ubrzavajući valovi su novootkrivena vrsta valova čija se brzina može mijenjati s vremenom, za razliku od standardne pretpostavke o konstantnoj brzini. Njihovo je ponašanje opisano novom valnom jednadžbom.
Nova jednadžba za ubrzavajuće valove dopušta samo rješenja gdje vrijeme teče naprijed, ali nikada unatrag. To sugerira da je fiksni smjer vremena, odnosno ‘strelica vremena’, opće svojstvo prirode.
Abraham-Minkowski kontroverza je dugogodišnja rasprava u fizici o tome što se događa s momentom svjetlosti kada uđe u medij. Istraživači su pokazali da se moment vala samog po sebi čuva zahvaljujući relativističkim efektima, poput dilatacije vremena i kontrakcije duljine koje val doživljava.
