Akselerasi gelombang dan rahasia waktu dan relativitas

Penggambaran artistik gelombang yang menghadapi ruangwaktu yang melengkung secara dramatis. Sumber gambar: Mattias Koivurova, Universitas Finlandia Timur

Para peneliti telah memperoleh persamaan gelombang baru, menghubungkan mekanika gelombang dengan teori relativitas umum dan panah waktu, memberikan solusi terhadap perdebatan fisika yang sudah berlangsung lama dan menawarkan aplikasi untuk material baru.

Para peneliti di Universitas Tampere dan Universitas Finlandia Timur telah mencapai tonggak sejarah dalam sebuah penelitian di mana mereka telah menyimpulkan persamaan gelombang jenis baru, yang berlaku untuk gelombang yang dipercepat. Formalisme baru ternyata menjadi lahan subur yang tak terduga untuk studi mekanika gelombang, dengan hubungan langsung antara percepatan gelombang, teori relativitas umum, serta panah waktu.

Interaksi cahaya dengan materi

Ketika cahaya berinteraksi dengan materi, cahaya tampak melambat. Ini bukanlah observasi baru dan mekanika gelombang standar dapat menggambarkan sebagian besar fenomena sehari-hari.

Misalnya, ketika cahaya jatuh pada suatu antarmuka, persamaan gelombang standar terpenuhi di kedua sisi. Untuk memecahkan masalah seperti itu secara analitis, pertama-tama kita harus mencari seperti apa bentuk gelombang di kedua sisi antarmuka, dan kemudian menggunakan kondisi batas elektromagnetik untuk menghubungkan kedua sisi tersebut. Ini disebut solusi parsial kontinyu.

Namun, di perbatasan, cahaya datang harus dipercepat. Sejauh ini, hal tersebut belum dihitung.

“Pada dasarnya, saya menemukan cara yang sangat elegan untuk menurunkan persamaan gelombang standar dalam dimensi 1+1. Satu-satunya asumsi yang saya perlukan adalah bahwa kecepatan gelombang adalah konstan. Lalu saya berkata pada diri sendiri: Bagaimana jika tidak selalu konstan? : “Itu ternyata pertanyaan yang sangat bagus.”

Dengan berasumsi bahwa kecepatan gelombang dapat berubah seiring waktu, para peneliti dapat menulis apa yang mereka sebut persamaan percepatan gelombang. Meskipun menulis persamaan itu sederhana, menyelesaikannya adalah masalah lain.

“Solusinya tampaknya tidak masuk akal. Lalu saya sadar bahwa hal tersebut berperilaku seperti efek relativistik,” kenang Koivorova.

Bekerja sama dengan Theoretical Optics and Photonics Group, yang dipimpin oleh Associate Professor Marco Ornigotti dari Universitas Tampere, para peneliti akhirnya mencapai kemajuan. Agar solusi dapat berperilaku seperti yang diharapkan, mereka memerlukan kecepatan referensi yang konstan – kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Menurut Koivorova, semuanya menjadi masuk akal setelah dia menyadari hal tersebut. Yang terjadi selanjutnya adalah penyelidikan terhadap dampak formalisme yang sangat luas.

Tidak ada harapan untuk mesin waktu?

Hasil yang mengejutkan, para peneliti menunjukkan bahwa untuk mempercepat gelombang, terdapat arah waktu yang jelas; Yang disebut “panah waktu”. Hal ini karena persamaan gelombang yang dipercepat hanya memungkinkan penyelesaian yang waktu mengalir maju, tetapi tidak pernah mundur.

“Arah waktu biasanya berasal dari termodinamika, di mana peningkatan entropi menunjukkan arah pergerakan waktu,” kata Koivorova.

Namun, jika aliran waktu dibalik, entropi akan mulai menurun hingga sistem mencapai keadaan entropi terendah. Maka entropinya akan bebas meningkat lagi.

Inilah perbedaan antara panah waktu “makroskopis” dan “mikroskopis”: meskipun entropi secara jelas menentukan arah waktu untuk sistem besar, tidak ada yang menentukan arah waktu untuk partikel individual.

“Namun, kami memperkirakan partikel individu berperilaku seolah-olah mereka memiliki arah waktu yang konstan!” kata Koivurova.

Karena persamaan gelombang dipercepat dapat diturunkan dari pertimbangan geometris, maka persamaan tersebut bersifat umum dan mewakili semua perilaku gelombang di dunia. Hal ini berarti bahwa arah waktu yang konstan juga merupakan sifat umum alam.

Relativitas menang atas kontroversi

Properti lain dari kerangka kerja ini adalah dapat digunakan untuk memodelkan gelombang kontinu secara analitis di mana pun, bahkan di seluruh antarmuka. Hal ini pada gilirannya mempunyai beberapa implikasi penting terhadap konservasi energi dan momentum.

“Ada perdebatan yang sangat terkenal dalam fisika, yang disebut perdebatan Abraham-Minkowski. Perdebatannya adalah ketika cahaya memasuki suatu medium, apa yang terjadi dengan momentumnya? Minkowski mengatakan bahwa momentum bertambah, sedangkan Abraham bersikeras bahwa momentumnya berkurang,” jelas Ornigotti.

Khususnya, terdapat bukti empiris yang mendukung kedua belah pihak.

“Apa yang kami tunjukkan adalah bahwa dari sudut pandang gelombang, tidak ada yang terjadi pada momentumnya. Dengan kata lain, momentum gelombang adalah kekal,” lanjut Koivorova.

Yang memungkinkan momentum dipertahankan adalah efek relativistik. “Kami menemukan bahwa kami dapat mengatribusikan ‘waktu yang baik’ pada gelombang, yang analog dengan waktu yang baik dalam relativitas umum,” kata Ornigotti.

Karena gelombang mengalami waktu yang berbeda dengan waktu laboratorium, para peneliti menemukan bahwa gelombang yang mengalami percepatan juga mengalami pemuaian waktu dan kontraksi panjangnya. Koivorova menunjukkan bahwa kontraksi panjang inilah yang membuatnya tampak seolah-olah momentum gelombang tidak kekal dalam medium fisik.

Aplikasi eksotis

Pendekatan baru ini setara dengan formulasi standar untuk sebagian besar permasalahan, namun memiliki perluasan penting: materi yang bervariasi terhadap waktu. Cahaya media yang berubah terhadap waktu akan mengalami perubahan sifat material secara tiba-tiba dan seragam. Gelombang di dalam material ini bukanlah solusi persamaan gelombang standar.

Di sinilah persamaan gelombang dipercepat muncul. Hal ini memungkinkan peneliti untuk mengembangkan model analitis dari situasi yang sebelumnya hanya dapat diakses secara digital.

Situasi seperti itu melibatkan substansi hipotetis eksotik yang disebut kristal waktu fotonik turbulen. Penelitian teoretis baru-baru ini menunjukkan bahwa gelombang yang merambat di dalam material tersebut akan melambat secara dramatis, sementara energinya juga meningkat secara dramatis.

“Formalisme kami menunjukkan bahwa perubahan energi pulsa yang diamati disebabkan oleh ruang-waktu melengkung yang dilalui pulsa. Dalam kasus seperti itu, konservasi energi lokal dilanggar,” kata Ornigotti.

Penelitian ini memiliki implikasi yang luas, mulai dari efek visual sehari-hari hingga uji laboratorium terhadap teori relativitas umum, memberikan wawasan mengapa waktu memiliki arah yang diinginkan.

Referensi: “Media yang Bervariasi Waktu, Relativitas, dan Panah Waktu” oleh Matias Koivurova, Charles W. Robson, dan Marco Ornigotti, 19 Oktober 2023, optik.
doi: 10.1364/optica.494630