211service.com
Metamedžiaga atskleidžia laiko prigimtį ir laiko mašinų neįmanomumą
Metamedžiagos yra periodinės struktūros, kurios gali būti sukurtos taip, kad šviesa būtų nukreipta tam tikrais būdais. Triukas yra manipuliuoti elektromagnetinės erdvės, kurioje sklinda šviesa, savybėmis, valdant šios erdvės skvarbumo ir pralaidumo vertes.
Pastaraisiais metais fizikai labai smagiai leido laiką naudodami metamedžiagas, kad sukurtų įvairius įdomius įrenginius, iš kurių geriausiai žinomi nematomumo apsiaustai, nukreipiantys šviesą aplink objektą ir taip paslėpę jį nuo akių.
Tačiau metamedžiagos turi gilesnį pritaikymą, nes egzistuoja formali analogija tarp elektromagnetinių erdvių matematikos ir bendrosios reliatyvumo matematikos bei joje aprašomo erdvėlaikio.
Tai reiškia, kad metamedžiagoje galima atkurti tikslią daugelio erdvėlaikio ypatybių kopiją. Išnagrinėjome daugybę šių idėjų, pavyzdžiui, kaip sukurti juodąją skylę ir netgi sukurti multivisatą.
Šiandien Igoris Smolyaninovas iš Merilendo universiteto, College Park, sako, kad metamedžiagoje įmanoma atkurti laiko rodyklę. Pasak jo, toks eksperimentas leidžia eksperimentiškai ištirti vieną iš didžiausių mokslo paslapčių: kodėl kosmologinė laiko rodyklė yra tokia pati kaip termodinaminė laiko strėlė.
Tuo pačiu metu pratimas suteikia smalsumo įžvalgą apie kelionių laiku galimybes.
Laiko rodyklė yra ilgas galvosūkis. Daugelis kosmologų mano, kad Visata prasidėjo nuo Didžiojo sprogimo – įvykio, kuris aiškiai yra mūsų praeityje.
Tačiau mūsų standartinis laiko apibrėžimas kyla iš termodinamikos ir stebėjimo, kad laikui bėgant entropija visada didėja. Pavyzdžiui, galite lengvai sudaužyti kiaušinį arba įmaišyti pieno į arbatą, tačiau pakeisti šiuos procesus sunku. Tokių reiškinių stebėjimas apibrėžia laiko strėlę.
Bet kodėl kosmologinės ir termodinaminės laiko rodyklės turėtų rodyti ta pačia kryptimi?
Metamedžiagos gali padėti tyrėjams ištirti šią problemą, nes jomis galima manipuliuoti taip, kad erdvės matmenys taptų panašūs į laiką. Smolyaninovas aprašo, kaip sukurti medžiagą, kurioje x ir y kryptys būtų panašios į erdvę, o z kryptis – į laiką.
Šviesos judėjimo būdas šioje erdvėje yra visiškai analogiškas masyvios dalelės elgesiui (2+1) Minkovskio erdvėlaikyje, kuris yra panašus į mūsų visatą. Taigi šviesos sklidimo modelis šioje metamedžiagoje yra lygiavertis dalelės pasaulio linijoms Minkovskio visatoje.
Smolyaninovas sako, kad Didžiojo sprogimo įvykis metamedžiagoje įvyksta, kai šviesos spindulių modelis plečiasi z matmens atžvilgiu, arba, kitaip tariant, kai pasaulio linijos plečiasi kaip laiko funkcija. Tai sukuria kosmologinę laiko strėlę.
Kitas klausimas – kaip ši rodyklė susijusi su termodinamine laiko rodykle. Tam reikalingas metamedžiagos viduje esančios entropijos apibrėžimas, kuris, pasak Smolyaninovo, yra tam tikras su šviesos spinduliais susijusio sutrikimo matas.
Jei metamedžiagos yra tobulos, spinduliai turėtų sklisti puikiai. Tačiau jie nėra tobuli ir skleisdami iškreipia spindulius. Tai nustato termodinaminę laiko rodyklę ir parodo, kodėl ji yra tokia pati kaip kosmologinė laiko rodyklė.
Bet, žinoma, yra problema. Nors tarp šių erdvių yra formali matematinė analogija, visiškai neaišku, kas Minkovskio erdvėje atlieka netobulo šviesos sklidimo per elektromagnetinę erdvę vaidmenį.
Anksčiau mokslininkai apie šias problemas galėdavo galvoti tik teoriškai, tačiau dabar metamedžiagos leidžia jas tirti eksperimentiškai.
Nuostabu, kad Smolynainovas ir kolega Yu-Ju Hung iš tikrųjų sukūrė savo laiko treniruoklį. Jų sistema pagaminta naudojant specialios formos plastikines juosteles, dedamas ant auksinio pagrindo. O šviesos spinduliai iš tikrųjų yra plazmonai, kurie sklinda per metalo paviršių, o juos iškraipo plastikinės juostelės.
Tai reiškia keletą pirmųjų. Pirmiausia Smoljaninovas naudoja šią sistemą, kad atkurtų Didįjį sprogimą savo laboratorijoje. Jis tai vadina žaislu Didžiuoju sprogimu, bet sunku nuvertinti šio įvykio reikšmę. Didysis sprogimas jūsų pačių laboratorijoje!
Tada jis naudoja savo modelį, kad tyrinėtų laiko strėles. Įsivaizduokite: jūsų pačių sukurta laiko rodyklė!
Ši sistema taip pat suteikia įdomios informacijos apie laiko mašinų prigimtį. Smoljaninovas užduoda klausimą, ar įmanoma jo medžiagoje sukurti uždaras, į laiką panašias kreives. Tai tolygu klausimui, ar dalelės Minkovskio erdvėje gali keliauti kreive, kuri nukelia jas atgal į erdvės ir laiko tašką, nuo kurio jos prasidėjo.
Jis mano tai įsivaizduodamas cilindrinę metamedžiagą, kurioje z matmenys ir radialiniai matmenys yra panašūs į erdvę, o kampinis atstumas aplink cilindrą yra panašus į laiką. Ar šioje sistemoje gali egzistuoti į uždarą laiką panašios kreivės, klausia jis. Iš pirmo žvilgsnio šis klausimas paprastas, o atsakymas turėtų būti teigiamas, sako jis.
Tačiau atidžiau panagrinėjus, atsakymas yra kitoks. Jis atkreipia dėmesį į tai, kad nors šviesos spinduliai gali sekti žiediniais takais, kurie grįžta į tašką, iš kurio jie prasidėjo, šie spinduliai nesuvoktų kampinio matmens kaip laiko panašaus.
Palyginimui, bet koks spindulys, kuris kampinį matmenį suvokia kaip panašų į laiką, iš tikrųjų negali grįžti į tą patį erdvėlaikio tašką (nors jis gali nukeliauti pasaulio linija, kuri yra labai arti uždaros laiko kreivės). Taigi laiko mašinos, net tokios nereikšmingos, kaip ši, neįmanomos.
Tai nepaprastai įspūdingas darbas. Smolyaninovas yra vienas iš pirmaujančių pasaulyje mąstytojų apie metamedžiagas ir daug nuveikė, kad išplėtotų teoriją, jungiančią elektromagnetines ir Minkovskio erdves.
Dabar jis iš tikrųjų susitepa rankas. Pirmą kartą kurdamas metamedžiagas, kurios atkartoja Didįjį sprogimą ir jo atsiradusias laiko strėles, jis tikrai pasiekė nepaprastą orientyrą.
Nuoroda: arxiv.org/abs/1104.0561 : Laiko modeliavimas metamedžiagomis
Dabar galite sekti „The Physics arXiv“ tinklaraštį Twitter