Il metamateriale rivela la natura del tempo e l'impossibilità delle macchine del tempo

I metamateriali sono strutture periodiche che possono essere progettate per guidare la luce in modi specifici. Il trucco è manipolare le proprietà dello spazio elettromagnetico in cui viaggia la luce controllando i valori della permittività e della permeabilità di questo spazio.

Negli ultimi anni, i fisici si sono divertiti molto a utilizzare i metamateriali per costruire tutti i tipi di dispositivi eccitanti, i più noti sono i mantelli dell'invisibilità che dirigono la luce attorno a un oggetto, nascondendolo così alla vista.

Ma i metamateriali hanno un'applicazione più profonda perché esiste un'analogia formale tra la matematica degli spazi elettromagnetici e la matematica della relatività generale e lo spaziotempo che descrive.

Ciò significa che è possibile riprodurre all'interno di un metamateriale una copia esatta di molte delle caratteristiche dello spaziotempo. Abbiamo esaminato alcune di queste idee, ad esempio come costruire un buco nero e persino creare un multiverso.

Oggi, Igor Smolyaninov dell'Università del Maryland, College Park, afferma che è possibile ricreare la freccia del tempo all'interno di un metamateriale. Un simile esperimento, dice, consente lo studio sperimentale di uno dei grandi misteri in sospeso della scienza: perché la freccia del tempo cosmologica è la stessa della freccia del tempo termodinamica.

Allo stesso tempo, l'esercizio offre una visione curiosa del potenziale del viaggio nel tempo.

La freccia del tempo è un puzzle di vecchia data. Molti cosmologi credono che l'Universo sia iniziato con il Big Bang, un evento che è chiaramente nel nostro passato.

Eppure la nostra definizione standard di tempo deriva dalla termodinamica e dall'osservazione che l'entropia aumenta sempre con il tempo. Ad esempio, puoi facilmente rompere un uovo o mescolare il latte nel tè, ma invertire questi processi è difficile. Osservare fenomeni come questi definisce la freccia del tempo.

Ma perché le frecce del tempo cosmologiche e termodinamiche dovrebbero puntare nella stessa direzione?

I metamateriali possono aiutare i ricercatori a studiare questo problema perché è possibile manipolarli in modo che le dimensioni simili allo spazio diventino simili al tempo. Smolyaninov descrive come creare un materiale in cui le direzioni xey sono simili allo spazio mentre la direzione z è simile al tempo.

Il modo in cui la luce si muove in questo spazio è esattamente analogo al comportamento di una particella massiccia in uno spaziotempo (2+1) Minkowski, che è simile al nostro universo. Quindi il modello di propagazione della luce all'interno di questo metamateriale è equivalente alle linee di universo di una particella in un universo Minkowski.

Smolyaninov afferma che un evento di Big Bang nel metamateriale si verifica quando lo schema dei raggi luminosi si espande rispetto alla dimensione z, o in altre parole, quando le linee del mondo si espandono in funzione del tempo. Questo stabilisce una freccia del tempo cosmologica.

La prossima domanda è come questa freccia si collega a una freccia del tempo termodinamica. Ciò richiede una definizione dell'entropia all'interno del metamateriale che Smolyaninov dice essere una sorta di misura del disordine associato ai raggi luminosi.

Se i metamateriali sono perfetti i raggi dovrebbero propagarsi perfettamente. Ma non sono perfetti e quindi distorcono i raggi mentre si diffondono. Questo determina una freccia del tempo termodinamica e mostra perché è la stessa della freccia del tempo cosmologica.

Ma c'è un problema ovviamente. Sebbene esista un'analogia matematica formale tra questi spazi, non è affatto chiaro quale sia il ruolo nello spazio di Minkowski della propagazione imperfetta della luce attraverso lo spazio elettromagnetico.

In passato, gli scienziati sono stati in grado di pensare a questi problemi solo teoricamente, ma ora i metamateriali consentono loro di studiarli sperimentalmente.

Sorprendentemente, Smolynainov e un collega, Yu-Ju Hung, hanno effettivamente costruito il loro simulatore temporale. Il loro sistema è realizzato utilizzando strisce di plastica appositamente sagomate poste su un substrato d'oro. E i raggi di luce sono in realtà plasmoni che si propagano sulla superficie del metallo mentre vengono distorti dalle strisce di plastica.

Questo rappresenta una serie di primati. Per cominciare, Smolyaninov usa questo sistema per ricreare il Big Bang nel suo laboratorio. Lo chiama un giocattolo Big Bang, ma è difficile sottovalutare il significato di questo evento. Un Big Bang nel tuo laboratorio!

Quindi usa il suo modello per studiare le frecce del tempo. Immagina: la tua freccia del tempo personalizzata!

Questo sistema offre anche una visione interessante della natura delle macchine del tempo. La domanda che Smolyaninov si pone è se sia possibile creare curve chiuse simili al tempo nel suo materiale. Ciò equivale a chiedersi se è possibile che le particelle in uno spazio di Minkowski viaggino lungo una curva che le riporti al punto nello spazio-tempo in cui sono iniziate.

Considera questo immaginando un metamateriale cilindrico in cui la dimensione z e la dimensione radiale sono simili allo spazio e la distanza angolare attorno al cilindro è simile al tempo. Possono esistere curve chiuse simili al tempo in questo sistema, si chiede. A prima vista, questa domanda è semplice e la risposta dovrebbe essere sì, dice.

Ma ad un esame più attento la risposta risulta essere diversa. Egli fa notare che mentre è possibile che i raggi luminosi seguano percorsi circolari che ritornano al punto da cui sono partiti, questi raggi non percepirebbero la dimensione angolare come simile al tempo.

In confronto, qualsiasi raggio che percepisce la dimensione angolare come simile al tempo non può effettivamente tornare allo stesso punto nello spazio-tempo (sebbene possa percorrere una linea di universo molto vicina a una curva chiusa simile al tempo). Quindi le macchine del tempo, anche banali come questa, sono impossibili.

È un lavoro enormemente impressionante. Smolyaninov è uno dei principali pensatori mondiali sui metamateriali e ha fatto molto per far avanzare la teoria che collega gli spazi elettromagnetici e Minkowski.

Ora si sta sporcando davvero le mani. Creando per la prima volta metamateriali che riproducono il Big Bang e le frecce del tempo che ne derivano, ha sicuramente raggiunto un traguardo straordinario.

Rif: arxiv.org/abs/1104.0561 : Modellazione del tempo con i metamateriali

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