211service.com
Metamateriaal onthult de aard van tijd en de onmogelijkheid van tijdmachines
Metamaterialen zijn periodieke structuren die kunnen worden ontworpen om licht op specifieke manieren te sturen. De truc is om de eigenschappen van de elektromagnetische ruimte waarin licht zich voortplant te manipuleren door de waarden van de permittiviteit en permeabiliteit van deze ruimte te regelen.
De afgelopen jaren hebben natuurkundigen veel plezier beleefd aan het gebruik van metamaterialen om allerlei opwindende apparaten te bouwen. De bekendste zijn onzichtbaarheidsmantels die licht om een object heen sturen en het daardoor aan het zicht onttrekken.
Maar metamaterialen hebben een diepere toepassing omdat er een formele analogie is tussen de wiskunde van elektromagnetische ruimten en de wiskunde van de algemene relativiteitstheorie en de ruimtetijd die het beschrijft.
Dat betekent dat het mogelijk is om in een metamateriaal een exacte kopie te reproduceren van veel van de kenmerken van ruimtetijd. We hebben een aantal van deze ideeën bekeken, zoals hoe een zwart gat te bouwen en zelfs een multiversum te creëren.
Vandaag zegt Igor Smolyaninov van de Universiteit van Maryland, College Park, dat het mogelijk is om de pijl van de tijd in een metamateriaal te recreëren. Zo'n experiment, zegt hij, maakt de experimentele studie mogelijk van een van de grote openstaande mysteries in de wetenschap: waarom de kosmologische pijl van de tijd hetzelfde is als de thermodynamische pijl van de tijd.
Tegelijkertijd geeft de oefening een merkwaardig inzicht in de mogelijkheden van tijdreizen.
De pijl van de tijd is een lang bestaande puzzel. Veel kosmologen geloven dat het heelal begon met de oerknal, een gebeurtenis die duidelijk in ons verleden ligt.
En toch komt onze standaarddefinitie van tijd uit de thermodynamica en de observatie dat entropie altijd toeneemt met de tijd. Je kunt bijvoorbeeld gemakkelijk een ei breken of melk door je thee mengen, maar deze processen omkeren is moeilijk. Het observeren van dit soort fenomenen definieert de pijl van de tijd.
Maar waarom zouden de kosmologische en thermodynamische pijlen van de tijd in dezelfde richting wijzen?
Metamaterialen kunnen onderzoekers helpen dit probleem te bestuderen, omdat het mogelijk is ze te manipuleren zodat ruimteachtige dimensies tijdachtig worden. Smolyaninov beschrijft hoe een materiaal kan worden gemaakt waarin de x- en y-richtingen ruimtelijk zijn en de z-richting tijdachtig.
De manier waarop licht in deze ruimte beweegt, is precies analoog aan het gedrag van een massief deeltje in een (2+1) Minkowski-ruimtetijd, die vergelijkbaar is met ons eigen universum. Dus het patroon van lichtvoortplanting binnen dit metamateriaal is gelijk aan de wereldlijnen van een deeltje in een Minkowski-universum.
Smolyaninov zegt dat een Big Bang-gebeurtenis in het metamateriaal plaatsvindt wanneer het patroon van lichtstralen zich uitbreidt ten opzichte van de z-dimensie, of met andere woorden, wanneer de wereldlijnen uitzetten als een functie van de tijd. Dit vormt een kosmologische pijl van de tijd.
De volgende vraag is hoe deze pijl zich verhoudt tot een thermodynamische pijl van de tijd. Dit vereist een definitie van entropie binnen het metamateriaal waarvan Smolyaninov zegt dat het een soort maatstaf is voor de wanorde die samenhangt met de lichtstralen.
Als de metamaterialen perfect zijn, zouden de stralen zich perfect moeten voortplanten. Maar ze zijn niet perfect en vervormen de stralen zo terwijl ze zich verspreiden. Dit bepaalt een thermodynamische pijl van de tijd en laat zien waarom deze hetzelfde is als de kosmologische pijl van de tijd.
Maar er is natuurlijk een probleem. Hoewel er een formele wiskundige analogie is tussen deze ruimtes, is het helemaal niet duidelijk wat de rol speelt in de Minkowski-ruimte van de onvolmaakte voortplanting van licht door de elektromagnetische ruimte.
In het verleden konden wetenschappers alleen theoretisch over deze problemen nadenken, maar metamaterialen kunnen ze nu experimenteel bestuderen.
Verbazingwekkend genoeg hebben Smolynainov en een collega, Yu-Ju Hung, hun tijdsimulator daadwerkelijk gebouwd. Hun systeem is gemaakt met speciaal gevormde plastic strips die op een gouden ondergrond zijn geplaatst. En de lichtstralen zijn eigenlijk plasmonen die zich over het oppervlak van het metaal voortplanten terwijl ze worden vervormd door de plastic strips.
Dit vertegenwoordigt een aantal primeurs. Om te beginnen gebruikt Smolyaninov dit systeem om de oerknal in zijn lab na te bootsen. Hij noemt het een speelgoed-oerknal, maar het is moeilijk om de betekenis van deze gebeurtenis te onderschatten. Een oerknal in je eigen lab!
Vervolgens gebruikt hij zijn model om de pijlen van de tijd te bestuderen. Stel je voor: je eigen op maat gemaakte pijl van de tijd!
Dit systeem geeft ook een interessant inzicht in de aard van tijdmachines. De vraag die Smolyaninov stelt is of het mogelijk is om in zijn materiaal gesloten tijdachtige krommen te creëren. Dit komt overeen met de vraag of het mogelijk is dat deeltjes in een Minkowski-ruimte reizen in een curve die ze terugvoert naar het punt in de ruimte-tijd waar ze begonnen.
Hij beschouwt dit door zich een cilindrisch metamateriaal voor te stellen waarin de z-dimensie en radiale dimensie ruimtelijk zijn en de hoekafstand rond de cilinder tijdachtig. Kunnen er in dit systeem gesloten tijdachtige krommen bestaan, vraagt hij zich af. Op het eerste gezicht is deze vraag eenvoudig en het antwoord zou ja moeten zijn, zegt hij.
Maar bij nader onderzoek blijkt het antwoord anders te zijn. Hij wijst erop dat, hoewel het mogelijk is voor lichtstralen om cirkelvormige paden te volgen die terugkeren naar het punt waar ze begonnen, deze stralen de hoekdimensie niet als tijdachtig zouden waarnemen.
Ter vergelijking: elke straal die de hoekdimensie als tijdachtig waarneemt, kan niet echt terugkeren naar hetzelfde punt in de ruimtetijd (hoewel hij een wereldlijn kan afleggen die heel dicht bij een gesloten tijdachtige curve ligt). Dus tijdmachines, zelfs triviale zoals deze, zijn onmogelijk.
Dat is enorm indrukwekkend werk. Smolyaninov is een van 's werelds toonaangevende denkers op het gebied van metamaterialen en heeft veel gedaan om de theorie te bevorderen die elektromagnetische en Minkowski-ruimten met elkaar verbindt.
Nu maakt hij echt zijn handen vuil. Door voor de eerste keer metamaterialen te creëren die de oerknal en de tijdspijlen die daaruit voortvloeien, reproduceren, heeft hij zeker een buitengewone mijlpaal bereikt.
Referentie: arxiv.org/abs/1104.0561 : Modellering van tijd met metamaterialen
Je kunt The Physics arXiv Blog nu volgen op Twitter