Metamateriāls atklāj laika būtību un laika mašīnu neiespējamību

Metamateriāli ir periodiskas struktūras, kuras var konstruēt, lai virzītu gaismu noteiktos veidos. Viltība ir manipulēt ar elektromagnētiskās telpas īpašībām, kurā gaisma pārvietojas, kontrolējot šīs telpas caurlaidības un caurlaidības vērtības.

Pēdējos gados fiziķi ir ļoti izklaidējušies, izmantojot metamateriālus, lai izveidotu visa veida aizraujošas ierīces, no kurām vislabāk zināmie ir neredzamības apmetņi, kas virza gaismu ap objektu, tādējādi paslēpjot to no redzesloka.

Bet metamateriāliem ir dziļāks pielietojums, jo pastāv formāla līdzība starp elektromagnētisko telpu matemātiku un vispārējās relativitātes matemātiku un tajā aprakstīto laiktelpu.

Tas nozīmē, ka metamateriālā ir iespējams reproducēt precīzu daudzu telpas laika iezīmju kopiju. Mēs esam izskatījuši vairākas no šīm idejām, piemēram, kā izveidot melno caurumu un pat izveidot multiversu.

Šodien Igors Smoļaņinovs Merilendas Universitātē, Koledžas parkā, saka, ka metamateriālā ir iespējams atjaunot laika bultiņu. Viņš saka, ka šāds eksperiments ļauj eksperimentāli izpētīt vienu no izcilākajiem zinātnes noslēpumiem: kāpēc laika kosmoloģiskā bulta ir tāda pati kā termodinamiskā laika bulta.

Vienlaikus vingrinājums sniedz ziņkārīgu ieskatu ceļošanas laikā.

Laika bultiņa ir ilgi stāvoša mīkla. Daudzi kosmologi uzskata, ka Visums sākās ar Lielo sprādzienu - notikumu, kas nepārprotami ir mūsu pagātnē.

Un tomēr mūsu standarta laika definīcija izriet no termodinamikas un novērojuma, ka entropija vienmēr palielinās ar laiku. Piemēram, jūs varat viegli salauzt olu vai iejaukt pienu savā tējā, bet mainīt šos procesus ir grūti. Šādu parādību novērošana nosaka laika bultu.

Bet kāpēc laika kosmoloģiskajām un termodinamiskajām bultiņām būtu jānorāda vienā virzienā?

Metamateriāli var palīdzēt pētniekiem izpētīt šo problēmu, jo ar tiem ir iespējams manipulēt tā, lai telpai līdzīgas dimensijas kļūtu līdzīgas laikam. Smoļaņinovs apraksta, kā izveidot materiālu, kurā x un y virzieni ir līdzīgi telpai, bet z virziens ir līdzīgs laikam.

Gaismas kustības veids šajā telpā ir tieši līdzīgs masīvas daļiņas uzvedībai (2+1) Minkovska telpas laikā, kas ir līdzīgs mūsu pašu Visumam. Tātad gaismas izplatīšanās modelis šajā metamateriālā ir līdzvērtīgs daļiņas pasaules līnijām Minkovska visumā.

Smoļaņinovs saka, ka lielā sprādziena notikums metamateriālā notiek, kad gaismas staru modelis izplešas attiecībā pret z-dimensiju jeb, citiem vārdiem sakot, kad pasaules līnijas paplašinās kā laika funkcija. Tas nosaka laika kosmoloģisko bultu.

Nākamais jautājums ir par to, kā šī bultiņa ir saistīta ar termodinamisko laika bultiņu. Tam nepieciešama entropijas definīcija metamateriālā, kas, pēc Smoļaninova teiktā, ir sava veida ar gaismas stariem saistīto traucējumu mērs.

Ja metamateriāli ir ideāli, stariem vajadzētu izplatīties perfekti. Bet tie nav ideāli un izkropļo starus, kad tie izplatās. Tas nosaka termodinamisko laika bultiņu un parāda, kāpēc tā ir tāda pati kā kosmoloģiskā laika bultiņa.

Bet, protams, ir problēma. Lai gan starp šīm telpām pastāv formāla matemātiska līdzība, nav skaidrs, kāda loma Minkovska telpā ir nepilnīgai gaismas izplatībai elektromagnētiskajā telpā.

Agrāk zinātnieki par šīm problēmām varēja domāt tikai teorētiski, bet tagad metamateriāli ļauj viņiem tās pētīt eksperimentāli.

Pārsteidzoši, ka Smoļinainovs un kolēģis Yu-Ju Hung patiešām ir izveidojuši savu laika simulatoru. To sistēma ir izgatavota, izmantojot īpašas formas plastmasas sloksnes, kas novietotas uz zelta pamatnes. Un gaismas stari patiesībā ir plazmoni, kas izplatās pa metāla virsmu, vienlaikus izkropļojot plastmasas sloksnes.

Tas apzīmē vairākas pirmās. Vispirms Smoļaņinovs izmanto šo sistēmu, lai savā laboratorijā atjaunotu Lielo sprādzienu. Viņš to sauc par rotaļlietu Lielo sprādzienu, taču ir grūti novērtēt par zemu šī notikuma nozīmi. Lielais sprādziens jūsu pašu laboratorijā!

Pēc tam viņš izmanto savu modeli, lai pētītu laika bultas. Iedomājieties: jūsu pašu izveidotā laika bulta!

Šī sistēma sniedz arī interesantu ieskatu laika mašīnu būtībā. Smoļaņinova uzdotais jautājums ir par to, vai viņa materiālā ir iespējams izveidot slēgtas laika līknes. Tas ir līdzvērtīgs jautājumam par to, vai daļiņas Minkovska telpā var pārvietoties līknē, kas tās ved atpakaļ uz laiku, kurā tās sākās.

Viņš to uzskata, iedomājoties cilindrisku metamateriālu, kurā z-izmērs un radiālais izmērs ir līdzīgi telpai un leņķiskais attālums ap cilindru ir līdzīgs laikam. Vai šajā sistēmā var pastāvēt slēgtam laikam līdzīgas līknes, viņš jautā. No pirmā acu uzmetiena šis jautājums ir vienkāršs, un atbildei vajadzētu būt jā, viņš saka.

Taču, papētot sīkāk, atbilde izrādās atšķirīga. Viņš norāda, ka, lai gan gaismas stariem ir iespējams sekot apļveida ceļiem, kas atgriežas vietā, no kurienes tie sākās, šie stari neuztvers leņķisko dimensiju kā laiku.

Salīdzinājumam, jebkurš stars, kas uztver leņķisko dimensiju kā laikam līdzīgu, faktiski nevar atgriezties tajā pašā telpas laika punktā (lai gan tas var pārvietoties pa pasaules līniju, kas ir ļoti tuvu slēgtai laikam līdzīgai līknei). Tātad laika mašīnas, pat tādas triviālas kā šī, nav iespējamas.

Tas ir ļoti iespaidīgs darbs. Smoļjaņinovs ir viens no pasaules vadošajiem metamateriālu domātājiem un ir daudz darījis, lai attīstītu teoriju, kas saista elektromagnētiskās un Minkovska telpas.

Tagad viņš faktiski sasmērē rokas. Pirmo reizi radot metamateriālus, kas atveido Lielo sprādzienu un tā rezultātā radušās laika bultas, viņš noteikti ir sasniedzis neparastu orientieri.

Atsauce: arxiv.org/abs/1104.0561 : Laika modelēšana ar metamateriāliem

Tagad varat sekot emuāram The Physics arXiv vietnē Twitter

paslēpties