El metamaterial revela la naturaleza del tiempo y la imposibilidad de las máquinas del tiempo

Los metamateriales son estructuras periódicas que pueden diseñarse para dirigir la luz de formas específicas. El truco consiste en manipular las propiedades del espacio electromagnético en el que viaja la luz controlando los valores de permitividad y permeabilidad de este espacio.

En los últimos años, los físicos se han divertido mucho usando metamateriales para construir todo tipo de dispositivos emocionantes, siendo los más conocidos las capas de invisibilidad que dirigen la luz alrededor de un objeto, ocultándolo de la vista.

Pero los metamateriales tienen una aplicación más profunda porque existe una analogía formal entre las matemáticas de los espacios electromagnéticos y las matemáticas de la relatividad general y el espacio-tiempo que describe.

Eso significa que es posible reproducir dentro de un metamaterial una copia exacta de muchas de las características del espacio-tiempo. Hemos analizado varias de estas ideas, como cómo construir un agujero negro e incluso crear un multiverso.

Hoy, Igor Smolyaninov de la Universidad de Maryland, College Park, dice que es posible recrear la flecha del tiempo dentro de un metamaterial. Tal experimento, dice, permite el estudio experimental de uno de los grandes misterios sobresalientes de la ciencia: por qué la flecha cosmológica del tiempo es la misma que la flecha termodinámica del tiempo.

Al mismo tiempo, el ejercicio ofrece una visión curiosa del potencial de los viajes en el tiempo.

La flecha del tiempo es un rompecabezas de larga data. Muchos cosmólogos creen que el Universo comenzó con el Big Bang, un evento que está claramente en nuestro pasado.

Y, sin embargo, nuestra definición estándar de tiempo proviene de la termodinámica y la observación de que la entropía siempre aumenta con el tiempo. Por ejemplo, puede romper fácilmente un huevo o mezclar leche en su té, pero revertir estos procesos es difícil. Observar fenómenos como estos define la flecha del tiempo.

Pero, ¿por qué las flechas cosmológica y termodinámica del tiempo apuntarían en la misma dirección?

Los metamateriales pueden ayudar a los investigadores a estudiar este problema porque es posible manipularlos para que las dimensiones espaciales se vuelvan similares al tiempo. Smolyaninov describe cómo crear un material en el que las direcciones xey son similares al espacio, mientras que la dirección z es similar al tiempo.

La forma en que la luz se mueve en este espacio es exactamente análoga al comportamiento de una partícula masiva en un espacio-tiempo (2 + 1) de Minkowski, que es similar a nuestro propio universo. Entonces, el patrón de propagación de la luz dentro de este metamaterial es equivalente a las líneas del mundo de una partícula en un universo de Minkowski.

Smolyaninov dice que un evento de Big Bang en el metamaterial ocurre cuando el patrón de rayos de luz se expande en relación con la dimensión z, o en otras palabras, cuando las líneas del mundo se expanden en función del tiempo. Esto establece una flecha cosmológica del tiempo.

La siguiente pregunta es cómo se relaciona esta flecha con una flecha termodinámica del tiempo. Esto requiere una definición de entropía dentro del metamaterial que, según Smolyaninov, es una especie de medida del desorden asociado con los rayos de luz.

Si los metamateriales son perfectos, los rayos deberían propagarse perfectamente. Pero no son perfectos y distorsionan los rayos a medida que se propagan. Esto determina una flecha termodinámica del tiempo y muestra por qué es lo mismo que la flecha cosmológica del tiempo.

Pero hay un problema, por supuesto. Aunque existe una analogía matemática formal entre estos espacios, no está del todo claro qué juega el papel en el espacio de Minkowski de la propagación imperfecta de la luz a través del espacio electromagnético.

En el pasado, los científicos solo podían pensar en estos problemas de manera teórica, pero los metamateriales ahora les permiten estudiarlos experimentalmente.

Sorprendentemente, Smolynainov y un colega, Yu-Ju Hung, han construido su simulador de tiempo. Su sistema se realiza mediante tiras de plástico de formas especiales colocadas sobre un sustrato dorado. Y los rayos de luz son en realidad plasmones que se propagan por la superficie del metal mientras son distorsionados por las tiras de plástico.

Esto representa una serie de novedades. Para empezar, Smolyaninov usa este sistema para recrear el Big Bang en su laboratorio. Él lo llama un juguete Big Bang, pero es difícil subestimar la importancia de este evento. ¡Un Big Bang en tu propio laboratorio!

Luego pasa a usar su modelo para estudiar las flechas del tiempo. Imagínese: ¡su propia flecha del tiempo hecha a medida!

Este sistema también ofrece una visión interesante de la naturaleza de las máquinas del tiempo. La pregunta que se hace Smolyaninov es si es posible crear curvas cerradas, similares al tiempo, en su material. Esto equivale a preguntar si es posible que las partículas en un espacio de Minkowski viajen en una curva que las lleve de regreso al punto en el espacio-tiempo donde comenzaron.

Considera esto imaginando un metamaterial cilíndrico en el que la dimensión z y la dimensión radial son similares al espacio y la distancia angular alrededor del cilindro es similar al tiempo. ¿Pueden existir curvas cerradas similares al tiempo en este sistema ?, pregunta. A primera vista, esta pregunta es simple y la respuesta debería ser sí, dice.

Pero bajo un examen más detenido, la respuesta resulta ser diferente. Señala que si bien es posible que los rayos de luz sigan trayectorias circulares que regresan al punto desde donde comenzaron, estos rayos no percibirían la dimensión angular como temporal.

En comparación, cualquier rayo que percibe la dimensión angular como similar al tiempo no puede realmente regresar al mismo punto en el espacio-tiempo (aunque puede viajar por una línea del mundo que está muy cerca de una curva cerrada similar al tiempo). Así que las máquinas del tiempo, incluso las triviales como esta, son imposibles.

Es un trabajo enormemente impresionante. Smolyaninov es uno de los pensadores más importantes del mundo sobre metamateriales y ha hecho mucho para promover la teoría que vincula los espacios electromagnéticos y de Minkowski.

Ahora realmente se está ensuciando las manos. Al crear por primera vez metamateriales que reproducen el Big Bang y las flechas del tiempo que resultan, seguramente ha logrado un hito extraordinario.

Ref: arxiv.org/abs/1104.0561 : Modelado del tiempo con metamateriales

Ahora puede seguir The Physics arXiv Blog en Gorjeo

esconder