我們能倒轉時間嗎？ 問一位精明的物理學家，答案將是“這取決於情況。”
逆行時間旅行的方案有很多，但通常涉及不可調和的悖論，並依賴於奇異的理論結構，例如蟲洞（可能根本不存在）。 然而，當談到簡單地撥回時鐘——類似於攪拌一個打散的生雞蛋，然後看到蛋黃和蛋清重新分離——一個豐富且不斷發展的波動物理學子領域表明，這種“時間反轉”是可能的。
時間倒流似乎與物理學最神聖的信條之一——熱力學第二定律——從根本上衝突，該定律基本上指出，無序——更具體地說是“熵”——總是在增加，正如保持事物整潔所需的不懈努力所謙卑地證明的那樣。 這種不可避免地滑向混亂和衰敗的趨勢，使得將雞蛋重新變回原狀變得異常困難——並且推動時間之箭在我們的日常體驗中進行單向旅行。 儘管到目前為止還沒有辦法將雞蛋重新變回原狀，但在相對簡單系統的某些精心控制的場景中，研究人員已經設法倒轉了時間。
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訣竅是創造某種反射。 首先，想象一下常規的空間反射，就像你在鍍銀玻璃鏡中看到的那樣。 這裡的反射發生的原因是，對於一束光線來說，銀是一種與空氣非常不同的傳輸介質； 光學特性的突然變化導致光線反彈，就像乒乓球撞到牆壁一樣。 現在想象一下，光學特性不是在空間中的特定點發生變化，而是在特定時刻沿著光線路徑的所有點都發生劇烈變化。 光不是在空間中反彈，而是在時間中反彈，精確地沿著它的軌跡返回，就像乒乓球回到最後擊球的球員手中一樣。 這就是“時間反射”。
時間反射幾十年來一直令理論家著迷，但事實證明在實踐中非常難以實現，因為快速且充分地改變材料的光學特性並非易事。 然而，現在，紐約城市大學的研究人員已經展示了一項突破：基於光的時間反射的創造。
為了做到這一點，物理學家安德烈亞·阿盧和他的同事設計了一種具有可調節光學特性的“超材料”，他們可以在納秒級的時間內調整其特性，使光線透過的速度減半或加倍。 超材料的特性由其結構決定； 許多超材料由微觀棒或環陣列組成，這些陣列可以被調整，以自然材料無法實現的方式與光相互作用並操縱光。 阿盧說，將超材料的力量應用於時間反射，揭示了一些令人驚訝之處。 他補充說：“現在我們意識到，由於我們實現時間反射的方式，[時間反射]可能比我們想象的要豐富得多。”
這種結構特性在自然界中也能找到——例如，蝴蝶翅膀上絢麗的虹彩。 然而，研究超材料的研究人員在自然界的基礎上，已經設計出可以使物體隱形的結構，應用範圍從更好的天線和地震防護到構建基於光子的計算機。 現在，科學家們正在用這些結構特徵的時間維度來代替空間維度。 賓夕法尼亞大學教授、超材料調製波物理學的先驅納德·恩赫塔說：“我們設計超材料是為了做不尋常的事情，而這就是其中一件不尋常的事情。”
奇異的波
阿盧和他的合作者開發的裝置本質上是一種波導，可以引導微波頻率的光。 波導上密集排列的開關陣列將其連線到電容器電路，電容器電路可以動態地新增或移除材料，供光線穿過。 這可以從根本上改變波導的有效特性，例如光線透過的容易程度。 阿盧說：“我們不是在改變材料； 我們是在新增或減去材料。” “這就是為什麼這個過程可以如此之快。”
時間反射帶來了一系列違反直覺的效應，這些效應在理論上已被預測，但從未用光演示過。 例如，原始訊號的開頭將在反射訊號的結尾——這種情況類似於在鏡子裡看著自己，看到自己的後腦勺。 此外，標準的反射會改變光線穿過空間的方式，而時間反射會改變光線的時間分量——即其頻率。 因此，在時間反射的檢視中，你的後腦勺也是不同的顏色。 阿盧和他的同事在團隊的裝置中觀察到了這兩種效應。 它們共同有望推動訊號處理和通訊領域的進一步發展——這兩個領域對於智慧手機等裝置的功能至關重要，智慧手機依賴於諸如頻率偏移之類的效應。
在開發出該裝置僅僅幾個月後，阿盧和他的同事在嘗試在該波導中建立時間反射時，觀察到了更令人驚訝的行為，當時他們向波導內部相互發射了兩束光。 通常，碰撞的光束表現為波，產生干涉圖案，其中它們重疊的波峰和波谷像水面上的漣漪一樣相加或抵消（分別在“相長”或“相消”干涉中）。 但是，光實際上可以充當點狀射彈、光子以及波狀振盪場——也就是說，它具有“波粒二象性”。 然而，通常特定場景會明顯地引發一種或另一種行為。 例如，碰撞的光束不會像檯球一樣相互彈開！ 但是，根據阿盧及其團隊的實驗，當發生時間反射時，它們似乎會這樣做。
研究人員透過控制碰撞波在發生時間反射時是相長干涉還是相消干涉——是相互疊加還是相互抵消——來實現這種奇特的效應。 透過控制時間反射發生的具體瞬間，科學家們證明，這兩個波以與開始時相同的波幅相互彈開，就像碰撞的檯球一樣。 或者，它們最終可能會能量減少，就像反彈的海綿球一樣，甚至會獲得能量，就像拉伸彈簧兩端的球的情況一樣。 阿盧說：“我們可以使這些相互作用保持能量守恆、能量供應或能量抑制，”他強調了時間反射如何為涉及能量轉換和脈衝整形的應用程式提供一個新的控制旋鈕，在這些應用中，波的形狀被改變以最佳化脈衝的訊號。
物理學原理剖析
精通物理定律的讀者可以放心，阿盧的裝置並沒有違反熱力學原理。 例如，波導不會創造或破壞能量，而只是有效地將能量從一種形式轉換為另一種形式——波獲得的或損失的能量來自為了改變超材料的特性而新增或減去的能量。 但是，關於熱力學定律規定的，不可避免的無序——熵——隨時間增加的情況呢？ 光束的時間反射如何不是將雞蛋重新變回原狀的等價物呢？
正如倫敦帝國理工學院專注於超材料的物理學家約翰·彭德里解釋的那樣，無論倒轉光束看起來多麼奇怪，它都完全符合堅如磐石的熱力學原理。 他說，熵的增加實際上是資訊丟失的問題。 例如，讓小學生按字母順序排隊，有人會確切地知道在哪裡找到每個孩子。 但是，如果讓他們在操場上自由活動，孩子們可能會以無數種不同的方式排列，這相當於熵的增加，並且您用來定位每個孩子的資訊都丟失了。 彭德里說：“如果[某事物]是時間可逆的，那就意味著你沒有產生熵，”即使它看起來像是產生了熵。 回到操場的類比，雖然孩子們仍然跑去玩耍，但他們知道鈴聲響時要排成什麼隊形返回教室——因此沒有產生熵。 他說：“你沒有丟失資訊。”
反射遠非唯一接受時域處理的光學現象。 今年 4 月，彭德里和包括倫敦帝國理工學院的裡卡多·薩皮恩紮在內的一個研究團隊，演示了一個世紀前經典實驗的時域類似物，該實驗最終在確立光的波粒二象性方面發揮了關鍵作用。 物理學家托馬斯·楊在 1801 年首次進行的“雙縫實驗”提供瞭如此無可辯駁的證據，證明光具有波動性，以至於面對隨後證明光表現得像粒子的證據，科學家們只能得出結論，這兩種描述都適用。 將波傳送到具有兩個狹縫的屏障，從一個狹縫扇出的波將與從另一個狹縫發出的波發生干涉。 對於光來說，這種相長和相消干涉在雙縫後面的螢幕上顯示為多條亮條紋，或“條紋”。 薩皮恩扎、彭德里及其同事使用了氧化銦錫 (ITO)，這是一種光敏物質，可以快速地從透明變為不透明，以產生“時間狹縫”。 他們表明，與雙時間狹縫相互作用的光束將在頻率上產生相應的干涉圖案，該圖案被用作時間類似物——也就是說，在不同的頻率上存在明亮的條紋。
恩赫塔認為，在光學效應中交換時間和空間的實驗的動機是“我們可以在光與物質相互作用的物理學中找到的令人興奮和新穎的特徵”。 而且有很多。 彭德里笑著描述了他和他的同事對超材料的時間探索如何揭示了“一些非常奇怪的事情”，包括他所說的“光子壓縮機”。 彭德里的光子壓縮機是一種超材料，它條紋狀地分佈著具有不同光學特性的區域，這些區域會影響光傳播的速度。 這些條紋是可調節的，形成一種“超光柵”，當這種超光柵與光一起穿過超材料時，它可以起到捕獲和聚集光子的作用，從而有效地壓縮它們。 進一步的研究還表明，這種光子壓縮機與黑洞具有相似的特徵，這可能為研究那些極端的宇宙天體提供更易於管理的實驗室規模的類似物。 在為超材料展開全新的時間維度之後，光子壓縮黑洞類似物只是探索奇特現象的途徑之一，可能性是無限的。
彭德里說：“這真的是在組裝一個工具箱，然後向世界展示這個工具箱，並說，‘你能用它做什麼？’”