Metamaterial avslöjar tidens natur och tidsmaskinernas omöjlighet

Metamaterial är periodiska strukturer som kan konstrueras för att styra ljus på specifika sätt. Tricket är att manipulera egenskaperna hos det elektromagnetiska utrymme där ljus färdas genom att kontrollera värdena för permittiviteten och permeabiliteten i detta utrymme.

Under de senaste åren har fysiker haft väldigt roligt med att använda metamaterial för att bygga alla typer av spännande anordningar, de mest kända är osynlighetskappor som styr ljuset runt ett föremål och därigenom döljer det från insyn.

Men metamaterial har en mer djupgående tillämpning eftersom det finns en formell analogi mellan matematiken i elektromagnetiska utrymmen och matematiken i den allmänna relativitetsteorien och den rumtid som den beskriver.

Det betyder att det är möjligt att reproducera en exakt kopia av många av rymdtidens egenskaper inuti ett metamaterial. Vi har tittat på ett antal av dessa idéer, till exempel hur man bygger ett svart hål och till och med skapar ett multiversum.

Idag säger Igor Smolyaninov vid University of Maryland, College Park, att det är möjligt att återskapa tidens pil inuti ett metamaterial. Ett sådant experiment, säger han, tillåter experimentell studie av ett av de stora framstående mysterierna inom vetenskapen: varför den kosmologiska tidens pil är densamma som den termodynamiska tidens pil.

Övningen ger samtidigt en nyfiken inblick i potentialen för tidsresor.

Tidens pil är ett långvarigt pussel. Många kosmologer tror att universum började med Big Bang, en händelse som helt klart ligger i vårt förflutna.

Och ändå kommer vår standarddefinition av tid från termodynamiken och observationen att entropin alltid ökar med tiden. Du kan till exempel enkelt bryta ett ägg eller blanda mjölk i ditt te, men det är svårt att vända på dessa processer. Att observera fenomen som dessa definierar tidens pil.

Men varför skulle tidens kosmologiska och termodynamiska pilar peka i samma riktning?

Metamaterial kan hjälpa forskare att studera detta problem eftersom det är möjligt att manipulera dem så att rumsliknande dimensioner blir tidsliknande. Smolyaninov beskriver hur man skapar ett material där x- och y-riktningarna är rymdliknande medan z-riktningen är tidsliknande.

Sättet ljuset rör sig i detta utrymme är exakt analogt med beteendet hos en massiv partikel i en (2+1) Minkowski-rymdtid, som liknar vårt eget universum. Så mönstret av ljusutbredning inuti detta metamaterial motsvarar världslinjerna för en partikel i ett Minkowski-universum.

Smolyaninov säger att en Big Bang-händelse i metamaterialet inträffar när mönstret av ljusstrålar expanderar relativt z-dimensionen, eller med andra ord, när världslinjerna expanderar som en funktion av tiden. Detta etablerar en kosmologisk tidspil.

Nästa fråga är hur denna pil förhåller sig till en termodynamisk tidspil. Detta kräver en definition av entropi inuti metamaterialet som Smolyaninov säger är ett slags mått på störningen som är förknippad med ljusstrålarna.

Om metamaterialen är perfekta bör strålarna spridas perfekt. Men de är inte perfekta och förvränger så strålarna när de sprider sig. Detta bestämmer en termodynamisk tidspil och visar varför den är samma som den kosmologiska tidens pil.

Men det finns ett problem såklart. Även om det finns en formell matematisk analogi mellan dessa utrymmen, är det inte alls klart vad som spelar rollen i Minkowski-rymden för den ofullkomliga fortplantningen av ljus genom det elektromagnetiska rymden.

Tidigare har forskare bara kunnat tänka på dessa problem teoretiskt, men metamaterial tillåter dem nu att studera dem experimentellt.

Otroligt nog har Smolynainov och en kollega, Yu-Ju Hung, faktiskt byggt sin tidssimulator. Deras system är tillverkat med hjälp av speciellt formade plastremsor placerade på ett guldsubstrat. Och ljusstrålarna är faktiskt plasmoner som fortplantar sig över metallens yta samtidigt som de förvrängs av plastremsorna.

Detta representerar ett antal första. Till att börja med använder Smolyaninov detta system för att återskapa Big Bang i sitt labb. Han kallar det en leksak Big Bang men det är svårt att underskatta betydelsen av denna händelse. En Big Bang i ditt eget labb!

Han fortsätter sedan med att använda sin modell för att studera tidens pilar. Föreställ dig: din egen specialbyggda tidspil!

Detta system ger också en intressant inblick i tidsmaskinernas natur. Frågan Smolyaninov ställer är om det är möjligt att skapa slutna tidsliknande kurvor i sitt material. Detta motsvarar att fråga om det är möjligt för partiklar i ett Minkowski-rum att färdas i en kurva som tar dem tillbaka till den punkt i rum-tiden där de började.

Han överväger detta genom att föreställa sig ett cylindriskt metamaterial där z-dimensionen och den radiella dimensionen är rymdliknande och vinkelavståndet runt cylindern är tidsliknande. Kan det finnas stängda tidsliknande kurvor i det här systemet, frågar han. Vid första anblicken är den här frågan enkel, och svaret borde vara ja, säger han.

Men vid närmare granskning visar sig svaret vara annorlunda. Han påpekar att även om det är möjligt för ljusstrålar att följa cirkulära banor som återvänder till den punkt där de började, skulle dessa strålar inte uppfatta den vinkelformade dimensionen som tidsliknande.

Som jämförelse kan varje stråle som uppfattar vinkeldimensionen som tidsliknande faktiskt inte återvända till samma punkt i rum-tid, (även om den kan vandra en världslinje som är mycket nära en stängd tidsliknande kurva). Så tidsmaskiner, även triviala sådana som denna, är omöjliga.

Det är ett enormt imponerande arbete. Smolyaninov är en av världens ledande tänkare på metamaterial och har gjort mycket för att föra fram teorin som länkar samman elektromagnetiska och Minkowski-rum.

Nu smutsar han faktiskt ner händerna. Genom att för första gången skapa metamaterial som återger Big Bang och tidens pilar som resulterar, har han säkerligen uppnått ett extraordinärt landmärke.

Ref: arxiv.org/abs/1104.0561 : Modellering av tid med metamaterial

Du kan nu följa The Physics arXiv Blog på Twitter

Dölj