我们能倒转时间吗？ 问一位精明的物理学家，答案将是“这取决于情况。”
逆行时间旅行的方案有很多，但通常涉及不可调和的悖论，并依赖于奇异的理论结构，例如虫洞（可能根本不存在）。 然而，当谈到简单地拨回时钟——类似于搅拌一个打散的生鸡蛋，然后看到蛋黄和蛋清重新分离——一个丰富且不断发展的波动物理学子领域表明，这种“时间反转”是可能的。
时间倒流似乎与物理学最神圣的信条之一——热力学第二定律——从根本上冲突，该定律基本上指出，无序——更具体地说是“熵”——总是在增加，正如保持事物整洁所需的不懈努力所谦卑地证明的那样。 这种不可避免地滑向混乱和衰败的趋势，使得将鸡蛋重新变回原状变得异常困难——并且推动时间之箭在我们的日常体验中进行单向旅行。 尽管到目前为止还没有办法将鸡蛋重新变回原状，但在相对简单系统的某些精心控制的场景中，研究人员已经设法倒转了时间。
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诀窍是创造某种反射。 首先，想象一下常规的空间反射，就像你在镀银玻璃镜中看到的那样。 这里的反射发生的原因是，对于一束光线来说，银是一种与空气非常不同的传输介质； 光学特性的突然变化导致光线反弹，就像乒乓球撞到墙壁一样。 现在想象一下，光学特性不是在空间中的特定点发生变化，而是在特定时刻沿着光线路径的所有点都发生剧烈变化。 光不是在空间中反弹，而是在时间中反弹，精确地沿着它的轨迹返回，就像乒乓球回到最后击球的球员手中一样。 这就是“时间反射”。
时间反射几十年来一直令理论家着迷，但事实证明在实践中非常难以实现，因为快速且充分地改变材料的光学特性并非易事。 然而，现在，纽约城市大学的研究人员已经展示了一项突破：基于光的时间反射的创造。
为了做到这一点，物理学家安德烈亚·阿卢和他的同事设计了一种具有可调节光学特性的“超材料”，他们可以在纳秒级的时间内调整其特性，使光线通过的速度减半或加倍。 超材料的特性由其结构决定； 许多超材料由微观棒或环阵列组成，这些阵列可以被调整，以自然材料无法实现的方式与光相互作用并操纵光。 阿卢说，将超材料的力量应用于时间反射，揭示了一些令人惊讶之处。 他补充说：“现在我们意识到，由于我们实现时间反射的方式，[时间反射]可能比我们想象的要丰富得多。”
这种结构特性在自然界中也能找到——例如，蝴蝶翅膀上绚丽的虹彩。 然而，研究超材料的研究人员在自然界的基础上，已经设计出可以使物体隐形的结构，应用范围从更好的天线和地震防护到构建基于光子的计算机。 现在，科学家们正在用这些结构特征的时间维度来代替空间维度。 宾夕法尼亚大学教授、超材料调制波物理学的先驱纳德·恩赫塔说：“我们设计超材料是为了做不寻常的事情，而这就是其中一件不寻常的事情。”
奇异的波
阿卢和他的合作者开发的设备本质上是一种波导，可以引导微波频率的光。 波导上密集排列的开关阵列将其连接到电容器电路，电容器电路可以动态地添加或移除材料，供光线穿过。 这可以从根本上改变波导的有效特性，例如光线通过的容易程度。 阿卢说：“我们不是在改变材料； 我们是在添加或减去材料。” “这就是为什么这个过程可以如此之快。”
时间反射带来了一系列违反直觉的效应，这些效应在理论上已被预测，但从未用光演示过。 例如，原始信号的开头将在反射信号的结尾——这种情况类似于在镜子里看着自己，看到自己的后脑勺。 此外，标准的反射会改变光线穿过空间的方式，而时间反射会改变光线的时间分量——即其频率。 因此，在时间反射的视图中，你的后脑勺也是不同的颜色。 阿卢和他的同事在团队的设备中观察到了这两种效应。 它们共同有望推动信号处理和通信领域的进一步发展——这两个领域对于智能手机等设备的功能至关重要，智能手机依赖于诸如频率偏移之类的效应。
在开发出该设备仅仅几个月后，阿卢和他的同事在尝试在该波导中创建时间反射时，观察到了更令人惊讶的行为，当时他们向波导内部相互发射了两束光。 通常，碰撞的光束表现为波，产生干涉图案，其中它们重叠的波峰和波谷像水面上的涟漪一样相加或抵消（分别在“相长”或“相消”干涉中）。 但是，光实际上可以充当点状射弹、光子以及波状振荡场——也就是说，它具有“波粒二象性”。 然而，通常特定场景会明显地引发一种或另一种行为。 例如，碰撞的光束不会像台球一样相互弹开！ 但是，根据阿卢及其团队的实验，当发生时间反射时，它们似乎会这样做。
研究人员通过控制碰撞波在发生时间反射时是相长干涉还是相消干涉——是相互叠加还是相互抵消——来实现这种奇特的效应。 通过控制时间反射发生的具体瞬间，科学家们证明，这两个波以与开始时相同的波幅相互弹开，就像碰撞的台球一样。 或者，它们最终可能会能量减少，就像反弹的海绵球一样，甚至会获得能量，就像拉伸弹簧两端的球的情况一样。 阿卢说：“我们可以使这些相互作用保持能量守恒、能量供应或能量抑制，”他强调了时间反射如何为涉及能量转换和脉冲整形的应用程序提供一个新的控制旋钮，在这些应用中，波的形状被改变以优化脉冲的信号。
物理学原理剖析
精通物理定律的读者可以放心，阿卢的设备并没有违反热力学原理。 例如，波导不会创造或破坏能量，而只是有效地将能量从一种形式转换为另一种形式——波获得的或损失的能量来自为了改变超材料的特性而添加或减去的能量。 但是，关于热力学定律规定的，不可避免的无序——熵——随时间增加的情况呢？ 光束的时间反射如何不是将鸡蛋重新变回原状的等价物呢？
正如伦敦帝国理工学院专注于超材料的物理学家约翰·彭德里解释的那样，无论倒转光束看起来多么奇怪，它都完全符合坚如磐石的热力学原理。 他说，熵的增加实际上是信息丢失的问题。 例如，让小学生按字母顺序排队，有人会确切地知道在哪里找到每个孩子。 但是，如果让他们在操场上自由活动，孩子们可能会以无数种不同的方式排列，这相当于熵的增加，并且您用来定位每个孩子的信息都丢失了。 彭德里说：“如果[某事物]是时间可逆的，那就意味着你没有产生熵，”即使它看起来像是产生了熵。 回到操场的类比，虽然孩子们仍然跑去玩耍，但他们知道铃声响时要排成什么队形返回教室——因此没有产生熵。 他说：“你没有丢失信息。”
反射远非唯一接受时域处理的光学现象。 今年 4 月，彭德里和包括伦敦帝国理工学院的里卡多·萨皮恩扎在内的一个研究团队，演示了一个世纪前经典实验的时域类似物，该实验最终在确立光的波粒二象性方面发挥了关键作用。 物理学家托马斯·杨在 1801 年首次进行的“双缝实验”提供了如此无可辩驳的证据，证明光具有波动性，以至于面对随后证明光表现得像粒子的证据，科学家们只能得出结论，这两种描述都适用。 将波发送到具有两个狭缝的屏障，从一个狭缝扇出的波将与从另一个狭缝发出的波发生干涉。 对于光来说，这种相长和相消干涉在双缝后面的屏幕上显示为多条亮条纹，或“条纹”。 萨皮恩扎、彭德里及其同事使用了氧化铟锡 (ITO)，这是一种光敏物质，可以快速地从透明变为不透明，以产生“时间狭缝”。 他们表明，与双时间狭缝相互作用的光束将在频率上产生相应的干涉图案，该图案被用作时间类似物——也就是说，在不同的频率上存在明亮的条纹。
恩赫塔认为，在光学效应中交换时间和空间的实验的动机是“我们可以在光与物质相互作用的物理学中找到的令人兴奋和新颖的特征”。 而且有很多。 彭德里笑着描述了他和他的同事对超材料的时间探索如何揭示了“一些非常奇怪的事情”，包括他所说的“光子压缩机”。 彭德里的光子压缩机是一种超材料，它条纹状地分布着具有不同光学特性的区域，这些区域会影响光传播的速度。 这些条纹是可调节的，形成一种“超光栅”，当这种超光栅与光一起穿过超材料时，它可以起到捕获和聚集光子的作用，从而有效地压缩它们。 进一步的研究还表明，这种光子压缩机与黑洞具有相似的特征，这可能为研究那些极端的宇宙天体提供更易于管理的实验室规模的类似物。 在为超材料展开全新的时间维度之后，光子压缩黑洞类似物只是探索奇特现象的途径之一，可能性是无限的。
彭德里说：“这真的是在组装一个工具箱，然后向世界展示这个工具箱，并说，‘你能用它做什么？’”