Metamateriale afslører tidens natur og tidsmaskinernes umulighed

Metamaterialer er periodiske strukturer, der kan konstrueres til at styre lyset på bestemte måder. Tricket er at manipulere egenskaberne af det elektromagnetiske rum, hvori lyset bevæger sig, ved at kontrollere værdierne for permittiviteten og permeabiliteten af ​​dette rum.

I de senere år har fysikere haft det meget sjovt med at bruge metamaterialer til at bygge alle mulige spændende enheder, hvor de bedst kendte er usynlighedskapper, som styrer lyset rundt om et objekt og derved skjuler det for synet.

Men metamaterialer har en mere dybtgående anvendelse, fordi der er en formel analogi mellem matematikken i elektromagnetiske rum og den almene relativitetsteoris matematik og den rumtid, den beskriver.

Det betyder, at det er muligt inde i et metamateriale at gengive en nøjagtig kopi af mange af rumtidens funktioner. Vi har set på en række af disse ideer, såsom hvordan man bygger et sort hul og endda skaber et multivers.

I dag siger Igor Smolyaninov ved University of Maryland, College Park, at det er muligt at genskabe tidens pil inde i et metamateriale. Sådan et eksperiment, siger han, tillader det eksperimentelle studie af et af de store fremragende mysterier i videnskaben: hvorfor den kosmologiske tidspil er den samme som tidens termodynamiske pil.

Øvelsen giver samtidig et nysgerrigt indblik i potentialet for tidsrejser.

Tidens pil er et langvarigt puslespil. Mange kosmologer mener, at universet begyndte med Big Bang, en begivenhed, der tydeligvis er i vores fortid.

Og alligevel kommer vores standarddefinition af tid fra termodynamik og observationen af, at entropi altid stiger med tiden. For eksempel kan du nemt knække et æg eller blande mælk i din te, men det er svært at vende disse processer. At observere fænomener som disse definerer tidens pil.

Men hvorfor skulle tidens kosmologiske og termodynamiske pile pege i samme retning?

Metamaterialer kan hjælpe forskere med at studere dette problem, fordi det er muligt at manipulere dem, så rumlignende dimensioner bliver tidslignende. Smolyaninov beskriver, hvordan man skaber et materiale, hvor x- og y-retningerne er rumlignende, mens z-retningen er tidslignende.

Den måde, lyset bevæger sig i dette rum, er nøjagtig analog med opførselen af ​​en massiv partikel i en (2+1) Minkowski rumtid, som ligner vores eget univers. Så mønsteret af lysudbredelse inde i dette metamateriale svarer til verdenslinjerne for en partikel i et Minkowski-univers.

Smolyaninov siger, at en Big Bang-begivenhed i metamaterialet opstår, når mønsteret af lysstråler udvider sig i forhold til z-dimensionen, eller med andre ord, når verdenslinjerne udvider sig som en funktion af tiden. Dette etablerer en kosmologisk tidspil.

Det næste spørgsmål er, hvordan denne pil forholder sig til en termodynamisk pil af tid. Dette kræver en definition af entropi inde i metamaterialet, som Smolyaninov siger er en slags mål for lidelsen forbundet med lysstrålerne.

Hvis metamaterialerne er perfekte, bør strålerne forplante sig perfekt. Men de er ikke perfekte og forvrænger så strålerne, når de spredes. Dette bestemmer en termodynamisk tidspil og viser, hvorfor den er den samme som den kosmologiske tidspil.

Men der er selvfølgelig et problem. Selvom der er en formel matematisk analogi mellem disse rum, er det slet ikke klart, hvad der spiller rollen i Minkowski-rummet af den ufuldkomne udbredelse af lys gennem det elektromagnetiske rum.

Tidligere har videnskabsmænd kun været i stand til at tænke på disse problemer teoretisk, men metamaterialer giver dem nu mulighed for at studere dem eksperimentelt.

Utroligt nok har Smolynainov og en kollega, Yu-Ju Hung, faktisk bygget deres tidssimulator. Deres system er lavet ved hjælp af specialformede plastikstrimler placeret på et guldsubstrat. Og lysstrålerne er faktisk plasmoner, der forplanter sig hen over overfladen af ​​metallet, mens de forvrænges af plastikstrimlerne.

Dette repræsenterer en række førstegange. Til at begynde med bruger Smolyaninov dette system til at genskabe Big Bang i sit laboratorium. Han kalder det et legetøjs Big Bang, men det er svært at undervurdere betydningen af ​​denne begivenhed. Et Big Bang i dit eget laboratorium!

Han fortsætter derefter med at bruge sin model til at studere tidens pile. Forestil dig: din egen specialbyggede tidspil!

Dette system giver også et interessant indblik i tidsmaskinernes natur. Spørgsmålet Smolyaninov stiller er, om det er muligt at skabe lukkede tidslignende kurver i sit materiale. Dette svarer til at spørge, om det er muligt for partikler i et Minkowski-rum at rejse i en kurve, der fører dem tilbage til det punkt i rum-tid, hvor de startede.

Han overvejer dette ved at forestille sig et cylindrisk metamateriale, hvor z-dimensionen og den radiale dimension er rumlignende, og vinkelafstanden omkring cylinderen er tidslignende. Kan der eksistere lukkede tidslignende kurver i dette system, spørger han. Ved første øjekast er dette spørgsmål simpelt, og svaret burde være ja, siger han.

Men ved nærmere undersøgelse viser svaret sig at være anderledes. Han påpeger, at selvom det er muligt for lysstråler at følge cirkulære baner, der vender tilbage til det punkt, hvorfra de startede, ville disse stråler ikke opfatte den kantede dimension som tidslignende.

Til sammenligning kan enhver stråle, der opfatter vinkeldimensionen som tidslignende, faktisk ikke vende tilbage til det samme punkt i rum-tid (selvom den kan rejse en verdenslinje, der er meget tæt på en lukket tidslignende kurve). Så tidsmaskiner, selv trivielle som denne, er umulige.

Det er et enormt imponerende arbejde. Smolyaninov er en af ​​verdens førende tænkere inden for metamaterialer og har gjort meget for at fremme teorien, der forbinder elektromagnetiske og Minkowski-rum.

Nu er han faktisk ved at få sine hænder snavsede. Ved at skabe for første gang metamaterialer, der gengiver Big Bang og tidens pile, der resulterer, har han helt sikkert opnået et ekstraordinært vartegn.

Ref: arxiv.org/abs/1104.0561 : Modellering af tid med metamaterialer

Du kan nu følge The Physics arXiv Blog på Twitter

skjule