Fizikas atranda, kaip pasigaminti kvantines putas mėgintuvėlyje

Metamedžiaga yra medžiaga, sukurta taip, kad būtų galima manipuliuoti ir valdyti elektromagnetines bangas taip, kad jų neįmanoma atkurti natūraliose medžiagose.

Šios medžiagos yra periodinės struktūros, sukurtos iš mažų elektroninių komponentų, tokių kaip padalijami kondensatoriai ir laidai. Atskirai šie komponentai turi silpną sąveiką su praeinančiomis bangomis. Tačiau surinkti į pasikartojančią struktūrą, jie turi didelę įtaką šviesai.

Netrūksta egzotiškų dalykų, kuriuos gali padaryti metamedžiagos: nuo nematomų apsiaustų iki elektros perdavimo linijų. Tačiau vienas įdomiausių jų pritaikymo būdų yra kosmologijoje, nes, tikėkite ar ne, jie gali imituoti erdvėlaikio struktūrą.

Pasirodo, yra panašus tarp to, kaip šviesą veikia erdvėlaikio kreivumas, ir to, kaip ją įtakoja elektromagnetinė erdvė metamedžiagoje. Tiesą sakant, tarp šių dalykų yra formali matematinė analogija. Taigi fotonų elgesys metamedžiagoje yra identiškas jų elgesiui erdvėlaikyje.

Tai patogu, nes tai leidžia inžinieriams laboratorijoje atkurti įvairius egzotiškus astrofizinius objektus. Mes jau kalbėjome apie pirmąją juodąją skylę, sukurtą naudojant metamedžiagą, ir matėme, kaip turėtų būti įmanoma atkurti Didįjį sprogimą ir net ištisas multivisatas.

Dabar turime dar vieną egzotišką idėją. Vienas iš pirmaujančių šios srities mąstytojų yra Igoris Smolyaninovas iš Merilendo universiteto College Parke. Šiandien jis parodo, kaip metamedžiagoje sukurti kvantines putas.

Pirma, trumpas fonas apie kvantines putas. Niekas nėra visiškai tikras, kokie fizikos dėsniai valdo erdvėlaikį mažiausiu mastu, ty daugiau nei Plancko ilgis yra apie 10^-35 metrai. Tačiau geriausias mūsų spėjimas yra tas, kad kvantinė mechanika turi kažkaip vyrauti. Ir jei taip yra, Heisenbergo neapibrėžtumo principas turi atlikti svarbų vaidmenį.

Šis principas reiškia, kad norėdami sužinoti ką nors apie tokio masto erdvės regioną, turėtume naudoti tokias dideles energijas, kad jos sukurtų juodąją skylę. (Štai kodėl nėra prasmės galvoti apie ką nors mažesnio.)

Kadangi šios juodosios skylės gali egzistuoti, kvantinė mechanika rodo, kad jos egzistuoja, nuolat kylančios ir išnykusios Plancko skalėje.

Šios virtualios juodosios skylės suteikia erdvei tam tikrą keistą struktūrą Plancko skalėje. Dėl geresnio žodžio fizikai tai vadina kvantinėmis putomis.

Taigi, ką tai turi bendro su metamedžiagomis? Smolyaninovas nurodo, kad metamedžiagos yra skaidrios tik tam tikro bangos ilgio fotonams, kai jų dielektrinis laidumas yra mažesnis nei tam tikra kritinė vertė.

Jei jis viršytų šią vertę, medžiaga staiga taptų nepermatoma.

Taigi jo idėja yra sukurti metamedžiagą, kurioje dielektrinis laidumas tiesiog išmuštų šią kritinę vertę. Tada bet kokie šiluminiai svyravimai medžiagos viduje turėtų padidinti laidumą, todėl medžiaga toje srityje taps nepermatoma.

Taigi visi tame regione sugauti fotonai bus įstrigę. Jie patiria visišką vidinį atspindį bet kokiu kritimo kampu, sako Smolyaninovas.

Todėl šis regionas yra juodosios skylės analogas. Ir tai, kad šios juodosios skylės atsiras ir išnyks natūraliai svyruojant temperatūrai, reiškia, kad metamedžiaga elgiasi kaip kvantinės putos.

Bet geriausia yra tai, kad šis kvantinės putos efektas turėtų būti lengvai matomas. Smolyaninovas sako, kad yra gerai žinomų sistemų, kurios yra šioje kritinėje skaidrumo ir neskaidrumo sandūroje. Jis ypač atkreipia dėmesį į anilino ir cikloheksano mišinį, kuris nesimaišo žemesnėje nei 35 °C temperatūroje. Tačiau aukštesnėje nei šios temperatūros skysčiai mielai maišosi ir susidaro skirtingo skvarbumo regionai.

Įdomus efektas atsiranda tarp jų esančiame sluoksnyje, kai jie susimaišo, kuris kritinėje temperatūroje tampa visiškai nepermatomas. Tačiau dėl šiluminių svyravimų maži regionai nuolat mirga ir tampa neskaidrūs, sulaikydami ir išleisdami šviesą. Šis elgesys yra gana panašus į faktinio fizinio erdvėlaikio elgesį Plancko skalėje, sako Smolyaninovas.

Kitaip tariant, esant kritinei temperatūrai, ši medžiaga yra analogiška kvantinėms putoms.

Smolyninovas iš tikrųjų šio eksperimento neatliko, tačiau jame nėra nieko, kas atrodytų ypač sudėtinga. Tai galite padaryti įprastoje kolboje arba mėgintuvėlyje. Tiesą sakant, jis baigia savo darbą sakydamas: Šis poveikis atrodo didelis ir lengvai pastebimas.

O tai reiškia, kad netrukus fizikai turės savo kvantinės putos versiją, su kuria galės žaisti laboratorijoje.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1101.4625 : Virtualios juodosios skylės hiperbolinėse metamedžiagose

paslėpti