【本文转自微信公众号“科工力量”（ID：guanchacaijing）】

2017年6月23日，一篇名为 Breaking Lorentz reciprocity to overcome the time-bandwidth limit in physics and engineering 的论文发表在Science杂志上。哪怕是对科研领域非常陌生的人也知道这是物理学界最权威的核心期刊，而这篇论文的题目本身也十分醒目，中文大致可翻译为：打破洛伦兹互易性以克服物理和工程中的时间带宽极限。这样的标题在以严谨认真著称的学术界是不多见的，效果当然也是非常“震惊”！

货真价实的颠覆性创新

虽然论文给人的第一印象就是提神醒脑的，很有一种“语不惊人死不休”的感觉。但论文的结果是实实在在的。

学过大学物理的人都知道基础的电磁场理论由这4部分构成：麦克斯韦方程组、惟一性定理、感应定理还有就是互易性定理了。其中互易性的第一种引理就是洛伦兹引理（不是高中阶段了解的洛伦兹变换，这是互易性定理在有限域中的一种引理）

根据洛伦兹的研究，贝尔实验室的K. S. Johnson在1914年提出了“时间带宽极限”这一概念，这是一个工程上的经验法则，被物理学家和工程师承认并沿用至今约100年。不论是光学、声学、电子谐振系统，如传感器、传送带计数器、电容电路，还是前沿的微纳/慢光波导、到原子/分子结构中的振动关系、所有类型的谐振腔、晶体振荡器等等都被时间带宽极限所限制。

它告诉大家：谐振腔等储存能量的时间反比于它的带宽；或者说，存储能力的时间与系统带宽的乘积是固定的。这样在谐振/波导系统中，人们就无法同时系统信号稳定的情况下大大提升带宽。谐振系统的性能用的是质量因子Q进行描述，品质因子高的系统中存储的能量耗损慢，数据保真时间长。这对于精密测量等领域具有重要的意义，但是受制于这个“极限”测量的信息的保证度和测量取样的数量及品质无法同时兼顾。所以这一突破的价值将超乎想象。

就是这个公式，是不是和初中所学的T·ω=2π非常像，初中内容是该公式的简化。

洛伦兹互易性是一个物理定律，严格来说，它永远都是对的。

但是在有复杂的宏观物质的时候，不可能一个一个电子来考虑整个系统，所以必须用某种模型来代表这些介质。一旦做了这样的简化，洛伦兹互易性就不一定成立了，例如非线性的电磁介质几乎一定都会推翻洛伦兹互易性。换句话说，在高能物理里面，考虑的是一个一个分别的基本粒子，所以洛伦兹互易性永远成立。在固态物理里面，物质都被模型简化了，所以洛伦兹互易性可以被违反。

这篇新论文并不是找到新的打破洛伦兹互易性的方法，而是利用一种特别的非线性电磁介质能打破洛伦兹互易性的性质，来推翻1914年的有关“时间带宽极限”的工程法则。

最关键的突破点是非对称

要说非对称，得先从诺特定理说起。

上世纪理论物理的中心结果之一是诺特定理，它得名于20世纪初的女性数学家埃米·诺特， 在1915年被发现，1918年发布。虽然牛顿发表的物理学著作《自然哲学的数学原理》早就指出物理学科作为一门科学所具有的哲理性，但是直到这个定理的提出，人们才意识到物理学背后蕴藏的哲学可以这么深刻。它仅用经典力学的原理就可以认出量子力学的许多物理量，比如和海森堡测不准原理相关的物理量。甚至仅仅凭生活经验就能得出许多重要的物理规律：

由物理定律不随着空间中的位置而变化就能得出线性动量的守恒律；

由物理定律不随着空间中的角度而变化就能得出角动量的守恒律；

由物理定律不随着时间的变化而变化就能得出著名的能量守恒定律。

（艾米·诺特像）

这个定理指出对于力学体系的每一个连续的对称变换，都有一个守恒量与之对应。反过来我们当然能够明白，如果这种变换不连续或者不对称，原先守恒的量自然就不存在了。时间就是一种只能单向流动的物理量，是以孤立系统的熵总是增加的。

在非连续性的量子物理中，要实现非对称的系统，关键在于找出守恒不存在的边界。这是一项非常难又非常有价值的工作。美籍华人科学家李政道和杨振宁就是因为提出在弱相互作用中宇称不守恒，并在1956年被吴建雄实验证明而获得诺贝尔奖。

而在2008年普林斯顿大学的Haldane教授又提出一项非对称的理论——光子单向边缘态理论，Haldane获得过2016年的诺贝尔物理学奖。他预言了磁光材料光子晶体的边界可以存在这种模式。就是这一方法指导科学家最终打破了这一困扰光电谐振/波导系统近百年的魔咒——时间带宽极限。

(Haldane教授像)