[論文レビュー] The arrow of time in quantum mechanics and in nonlinear optics

V. A. Kuz’menko|ArXiv.org|Jun 3, 2005

Quantum Mechanics and Applications参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、時間反転対称性の破れが非線形光学の根本的要因であると主張し、特に光子混合、吸収/放出の非対称性、ラビ振動において、前向きと逆向きの光学的過程が等価でないことを示す直接的および間接的な実験的証拠を提示している。主な貢献は、時間非対称性を物理学の基本的力学方程式に組み込むことであり、分子の回転と異方性を介して横方向の緩和や光子エコーのような非線形現象の物理的説明を提供している。

ABSTRACT

The direct and indirect experimental proofs of a strong time invariance violation in optics are discussed. Time noninvariance for present day becomes the only real physical base for explanation the origin of the most phenomena in nonlinear optics. This is a good cause to introduce the time asymmetry into the dynamical equations of the basic laws of physics.

研究の動機と目的

• 時間反転対称性の破れが非線形光学現象の根本的物理的基盤であることを確立すること。
• 時間非対称なプロセスと関連付けることで、量子系における横方向緩和（T₂）の長年の謎を解明すること。
• 時間非対称な力学を用いて、断熱的励起状態移動および光子エコー効果の物理的説明を提供すること。
• 基本的な物理法則が時間反転不変であると見なされることが一般的であるが、特に電磁相互作用においてはその見解に疑問を呈すること。
• 物理学の基礎的力学方程式に明示的な時間非対称性を組み込むべきであると提唱すること。

提案手法

• 広いスペクトル線幅と長い励起状態寿命を示す多原子分子における光子混合および吸収/放出の直接的実験的証拠を分析すること。
• 前向き（吸収）と逆向き（誘導放出）のプロセスにおける断面積およびスペクトル幅の非対称性を、時間不変性の破れのプローブとして用いること。
• T₂′（非共鳴的崩壊）が分子衝突による記憶の不可逆的消失に起因し、時間非対称な力学を引き起こすのに対し、T₂*（位相崩壊）は可逆的な回転運動に起因することを提案すること。
• 分子双極子の時間非対称な再位相化によって駆動される遅延した四光子混合過程として光子エコーをモデル化すること。
• コherenecの物理的解釈を、初期状態の異方性の結果として再解釈し、根本的性質ではなく、条件依存のものとすること。
• 分子の回転に起因する時間非対称な遷移断面積によって引き起こされるため、断熱的励起状態移動を時間非対称遷移断面積の結果として解釈すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多原子分子において、前向きと逆向きの光学的プロセスの断面積およびスペクトル幅がなぜこれほど大きく異なるのか？
• RQ2 2準位量子系における横方向緩和（T₂）の物理的起源、特にT₂′とT₂*は何か？
• RQ3 時間対称性の力学を仮定せずに、断熱的励起状態移動現象をどのように説明できるか？
• RQ4 分子ガスにおける光子エコー効果の背後にあるメカニズムは何か、そしてそれは時間非対称性とどのように関係するか？
• RQ5 強力な実験的証拠が存在するにもかかわらず、なぜ光学における時間反転対称性の破れが体系的に無視されてきたのか？

主な発見

• 多原子分子における前向きと逆向きのプロセスのスペクトル幅の差は、5個以上のオーダー以上に達し、強い時間不変性の破れを示している。
• 誘導放出（逆向きプロセス）の断面積が吸収（前向きプロセス）のそれより数個のオーダー以上に大きく、時間反転対称性が破れている。
• T₂′緩和時間は、分子衝突による記憶の不可逆的消失として物理的に説明され、時間非対称な力学を示している。
• T₂*緩和時間は、可逆的な回転運動に起因し、周期的に共鳴条件を回復させることで光子エコー効果を可能にする。
• 断熱的励起状態移動効果は、分子の回転に起因する時間非対称な遷移断面積の結果であり、時間対称なラビ振動とは無関係である。
• 光子エコーは、時間非対称な分子双極子の再位相化によって駆動される遅延的・指向的な四光子混合過程として解釈される。