Metamateriał ujawnia naturę czasu i niemożliwość wehikułów czasu

Metamateriały to struktury okresowe, które można zaprojektować tak, aby sterowały światłem w określony sposób. Sztuczka polega na manipulowaniu właściwościami przestrzeni elektromagnetycznej, w której przemieszcza się światło, poprzez kontrolowanie wartości przenikalności i przepuszczalności tej przestrzeni.

W ostatnich latach fizycy świetnie się bawili, używając metamateriałów do budowy wszelkiego rodzaju ekscytujących urządzeń, z których najbardziej znanymi są peleryny-niewidki, które kierują światło wokół obiektu, ukrywając go tym samym przed wzrokiem.

Ale metamateriały mają głębsze zastosowanie, ponieważ istnieje formalna analogia między matematyką przestrzeni elektromagnetycznych a matematyką ogólnej teorii względności i czasoprzestrzenią, którą opisuje.

Oznacza to, że możliwe jest odtworzenie wewnątrz metamateriału dokładnej kopii wielu cech czasoprzestrzeni. Przyjrzeliśmy się wielu z tych pomysłów, na przykład jak zbudować czarną dziurę, a nawet stworzyć wieloświat .

Dziś Igor Smolaninow z University of Maryland w College Park twierdzi, że możliwe jest odtworzenie strzały czasu wewnątrz metamateriału. Taki eksperyment, mówi, pozwala na eksperymentalne zbadanie jednej z wielkich, wybitnych tajemnic w nauce: dlaczego kosmologiczna strzałka czasu jest taka sama, jak termodynamiczna strzałka czasu.

Jednocześnie ćwiczenie daje ciekawy wgląd w potencjał podróży w czasie.

Strzała czasu to długa łamigłówka. Wielu kosmologów uważa, że ​​Wszechświat rozpoczął się wraz z Wielkim Wybuchem, wydarzeniem, które wyraźnie należy do naszej przeszłości.

A jednak nasza standardowa definicja czasu pochodzi z termodynamiki i obserwacji, że entropia zawsze wzrasta z czasem. Na przykład możesz łatwo rozbić jajko lub zmieszać mleko z herbatą, ale odwrócenie tych procesów jest trudne. Obserwowanie takich zjawisk wyznacza strzałkę czasu.

Ale dlaczego kosmologiczna i termodynamiczna strzałka czasu miałaby wskazywać ten sam kierunek?

Metamateriały mogą pomóc naukowcom zbadać ten problem, ponieważ można nimi manipulować, aby wymiary przypominające przestrzeń stały się podobne do czasu. Smolaninow opisuje, jak stworzyć materiał, w którym kierunki x i y są podobne do przestrzeni, a kierunek z do czasu.

Sposób, w jaki światło porusza się w tej przestrzeni, jest dokładnie analogiczny do zachowania masywnej cząstki w czasoprzestrzeni Minkowskiego (2+1), która jest podobna do naszego wszechświata. Zatem wzór propagacji światła wewnątrz tego metamateriału jest odpowiednikiem linii świata cząstki we wszechświecie Minkowskiego.

Smolaniniow mówi, że Wielki Wybuch w metamateriale ma miejsce, gdy wzór promieni świetlnych rozszerza się względem wymiaru Z, czyli innymi słowy, gdy linie świata rozszerzają się w funkcji czasu. To ustanawia kosmologiczną strzałkę czasu.

Następnym pytaniem jest, jak ta strzałka odnosi się do termodynamicznej strzałki czasu. Wymaga to zdefiniowania entropii wewnątrz metamateriału, która według Smolianinowa jest rodzajem miary zaburzenia związanego z promieniami świetlnymi.

Jeśli metamateriały są doskonałe, promienie powinny się doskonale rozchodzić. Ale nie są idealne i zniekształcają promienie, gdy się rozprzestrzeniają. To określa termodynamiczną strzałkę czasu i pokazuje, dlaczego jest ona taka sama jak kosmologiczna strzałka czasu.

Ale oczywiście jest problem. Chociaż istnieje formalna matematyczna analogia między tymi przestrzeniami, nie jest wcale jasne, jaką rolę w przestrzeni Minkowskiego odgrywa niedoskonała propagacja światła w przestrzeni elektromagnetycznej.

W przeszłości naukowcy byli w stanie myśleć o tych problemach jedynie teoretycznie, ale metamateriały pozwalają im teraz badać je eksperymentalnie.

Co zdumiewające, Smolynainov i jego kolega Yu-Ju Hung zbudowali swój symulator czasu. Ich system wykonany jest ze specjalnie ukształtowanych plastikowych pasków umieszczonych na złotym podłożu. A promienie świetlne to w rzeczywistości plazmony, które rozchodzą się po powierzchni metalu, zniekształcone przez plastikowe paski.

Stanowi to kilka pierwszych. Na początek Smolanininow używa tego systemu do odtworzenia Wielkiego Wybuchu w swoim laboratorium. Nazywa to zabawką Big Bang, ale trudno nie docenić znaczenia tego wydarzenia. Wielki Wybuch we własnym laboratorium!

Następnie używa swojego modelu do badania strzałek czasu. Wyobraź sobie: Twoja własna, zbudowana na zamówienie strzałka czasu!

System ten daje również ciekawy wgląd w naturę wehikułów czasu. Pytanie, które zadaje Smolaninow, brzmi, czy możliwe jest stworzenie w jego materiale zamkniętych krzywych czasopodobnych. Jest to równoznaczne z pytaniem, czy cząstki w przestrzeni Minkowskiego mogą poruszać się po krzywej, która prowadzi je z powrotem do punktu w czasoprzestrzeni, w którym powstały.

Rozważa to, wyobrażając sobie cylindryczny metamateriał, w którym wymiar Z i wymiar promieniowy przypominają przestrzeń, a odległość kątowa wokół cylindra przypomina czas. Czy w tym układzie mogą istnieć krzywe zamknięte w czasie, pyta. Na pierwszy rzut oka to pytanie jest proste, a odpowiedź powinna brzmieć tak, mówi.

Ale po bliższym zbadaniu odpowiedź okazuje się inna. Wskazuje, że chociaż promienie świetlne mogą podążać kołowymi ścieżkami, które wracają do punktu, z którego wyszły, promienie te nie będą postrzegać wymiaru kątowego jako czasu.

Dla porównania, każdy promień, który postrzega wymiar kątowy jako czasopodobny, nie może w rzeczywistości powrócić do tego samego punktu w czasoprzestrzeni (chociaż może podróżować po linii świata, która jest bardzo blisko zamkniętej krzywej podobnej do czasu). Więc wehikuły czasu, nawet tak trywialne, jak ta, są niemożliwe.

To niezwykle imponująca praca. Smolanininow jest jednym z czołowych światowych myślicieli zajmujących się metamateriałami i zrobił wiele, aby rozwinąć teorię, która łączy przestrzeń elektromagnetyczną i przestrzeń Minkowskiego.

Teraz rzeczywiście brudzi sobie ręce. Tworząc po raz pierwszy metamateriały odtwarzające Wielki Wybuch i wynikające z niego strzały czasu, z pewnością osiągnął niezwykły punkt orientacyjny.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1104.0561 : Modelowanie czasu za pomocą metamateriałów

Możesz teraz śledzić blog The Physics arXiv na Świergot

ukryć