對波遇到指數彎曲時空的藝術描繪圖。圖片來源：東芬蘭大學助理教授馬蒂亞斯·科伊烏羅娃

幾十年來，物理學家使用標準波動方程描述光與物質的相互作用。然而，芬蘭坦佩雷大學和東芬蘭大學的研究團隊挑戰了傳統認知，并推導出了一種適用于加速波的新型波動方程。他們發現，新方程提供了一個明確的時間方向，即“時間之箭”，它與加速波的行為密切相關。相關研究發表在最新一期《光學》雜志上。

單向流動性是時間的一個最明顯特征。為什么可以看到生物體衰老而無法看到它們變年輕？事實上，這一問題與物理學上存在一個重大謎團即“時間之箭”相關，它表明時間的流逝朝向一個方向。

傳統上，“時間之箭”可以用熱力學第二定律來解釋。在熱力學中，增加的熵表示時間的向前流動。如果時間流逆轉，那么熵就會開始減少，直到系統達到最低熵狀態，然后熵將再次自由增加。然而，熵是宏觀量，它明確定義了大型系統的時間方向，但無法確定個別微觀粒子的時間方向。這就是宏觀和微觀“時間之箭”的區別。

新研究表明，加速波動方程獨立地創造了一支“時間之箭”，也就是說，就加速波而言，存在明確的時間方向。這是因為加速波動方程只允許時間向前流動的解，而不允許時間向后流動的解。

由于加速波動方程可以通過幾何推導，因此它是通用的，可以解釋世界上所有的波動行為。這反過來意味著時間的固定方向也是自然的一個相當普遍的屬性。因此，這項研究為“為什么單個粒子具有固定的時間方向”提供了新見解。

這一理論上的突破挑戰了人們對宇宙的基本理解，并為令人興奮的未來研究鋪平了道路。從日常的光學現象到廣義相對論的實驗室測試，它都有著深遠的影響，其不僅為波和時間之間的關系提供了新的見解，也讓人們得以了解“為什么時間有方向”。