Legetøjsmodel for Big Bang: Tiden kan kun gå fremad

Metamaterialer har vist sig at være velegnet legetøj for fysikere, der vil efterprøve de store kosmologiske spørgsmål som Big Bang, sorte huller og tidens pil. Principperne er de samme, og det er matematikken også.

Læs hele artiklen med kommentarer på ing.dk


Øv, tidsrejser er umulige, siger fysikeren Igor Smolyaninov fra University of Maryland i USA. Han har sammen med sin kollega Yu-Ju Hung undersøgt fordelingen af lys i et metamateriale, der kan ses som en miniaturemodel for universets oprindelse og tidens gang. Modellen viser, at tid er knyttet til entropi og termodynamik, og man kan derfor ikke bare dreje rundt for at gå tilbage i tiden og så eventuelt ende, hvor man startede.

Metamaterialer er kunstigt producerede kombinationer af materialer, der får lys til at opføre sig mærkeligt. Metamaterialers egenskaber skyldes deres unikke struktur med periodiske porer og ujævnheder, der er mindre end bølgelængden på lys. Når udefrakommende lys rammer metamaterialet, transformeres det derfor til en ny type af elektromagnetiske bølger, som man kalder ‘surface plasmon polaritons’. Disse plasmoner har en kortere bølgelængde end det indkommende lys. Hvis man er i stand til at kontrollere metamaterialets permittivitet og permeabilitet, kan det give anledning til mange besynderlige egenskaber og kontraintuitive lyseffekter, som man ikke har set før i naturen.

Materialerne har været kendt i over 10 år og har givet fysikerne en masse sjove ideer. Blandt andet har de ført til ideen om usynlighedskapper, der leder lyset uden om et objekt uden tab af energi. Men også lyd og seismisk aktivitet kan manipuleres med metamaterialer. Sidste år lykkedes det således danske forskere at udviklet metamaterialer, som kan forstærke akustisk resonans 50 gange og skabe ultralydsbilleder med ekstremt høj opløsning.


Tidens pil er statistisk
Det teoretisk interessante ved disse materialer er dog erkendelsen af, at den matematik, som understøtter beskrivelsen af metamaterialer, formelt set er den samme matematik som den, man bruger i beskrivelsen af det elektromagnetiske rum, af rumtiden og af den generelle relativitetsteori. Det betyder, at man i princippet ville kunne bygge et metamateriale, der var en lille kopi af mange af de fænomener, man finder i det helt store univers – som Big Bang og sorte huller – regne på det og så sammenligne resultatet med ‘the real thing’.


Igor Smolyaninov har f.eks. sidste år udgivet artikler, hvori han ved hjælp af metamaterialer bygger sorte huller og endda multiverser, altså det hypotetiske sæt af alle universer, der eksisterer parallelt med hinanden. I den nye artikel på arXiv.org spekulerer han over, hvordan metamaterialer kan emulere ‘tidens gang’.

Spørgsmålet om, hvad tid er, har nemlig altid været problematisk i fysikken, fordi tid synes at være lineær og kun gå i én retning. Vi kan sagtens slå et æg i stykker, men vi har svært ved at samle det igen. Langt de fleste af fysikkens love er dog symmetriske med hensyn til tiden, med en enkel undtagelse i termodynamikkens anden hovedsætning, som siger at entropien vil øges, jo længere tiden går. Argumentet for at det må være sådan er, at tilfældige hændelser (f.eks atomare sammenstød og kvantemekaniske effekter) altid vil øge antallet af et systems mulige mikroskopiske tilstande – det man i daglig tale kalder ‘uorden’. Ser man systemet udefra, vil man derfor næsten altid se systemet i sin ‘mest sandsynlige tilstand’, eller mest uordnede tilstand, hvilket er det samme som den tilstand med størst entropi.

De fleste fysikere mener, at den symmetriske kosmologiske ‘tidspil’ i virkeligheden er den samme som den asymmetriske statistiske ‘tidspil’. Smolyaninov prøver at undersøge dette ved at manipulere metamaterialer på en sådan måde, at en enkel af de tre rumlige dimensioner i metamaterialet transformeres til at være en tidsdimension. Den måde, som lyset så bevæger sig i metamaterialet på, må være analog med den måde, som almindelige partikler bevæger sig i et (2+1) Minkowskirum (der er den generelle betegnelse, man bruger til at beskrive rumtiden i vores univers inden for relativitetsteorien). Desuden påstår Smolyaninov, at et Big Bang i metamaterialet opstår, når mønstret af lysstråler ekspanderer relativt til tidsdimensionen.

Lysets ekspansion i de to rumdimensioner relativt til tidsdimensionen definerer således den kosmologiske tidspil. Lysets bevægelse inde i dette metamateriale er altså med andre ord en miniaturemodel af, hvordan tiden opstår og udvikler sig i universet. Desuden viser det sig, at lyset ikke spredes særligt lige eller særligt ordentligt i det elektromagnetiske rum. Måler man derfor på graden af uorden i lysstrålernes retning, får man et mål for systemets entropi, og det er dette, der definerer den termodynamiske tidspil. Og den viser sig at være den samme som den kosmologiske tidspil.

Ingen tidsmaskine
Det store spørgsmål i alt dette er selvfølgelig, at der ikke er nogen, der ved, om metamaterialer er gode repræsentanter for de store kosmologiske spørgsmål om tidens pil og om universets opståen, bare fordi matematikken er den samme begge steder. Smolyaninov laver modeller og eksperimenter, hvilket bestemt kan vise sig at være vigtigt i mange endnu ukendte sammenhænge, men man skal nok være lidt forsigtig med at sige, at rumtiden og Big Bang er ‘forklaret’ via det man ser i metamaterialerne.

»Vores model kan ikke svare på alle de uløste fysiske spørgsmål, der er associeret med Big Bang,« siger Smolyaninov i en kommentar til Ingeniøren.

»Men den kan give os en interessant legeplads til bedre at forstå tidens adfærd i nærheden af Big Bang. I disse dage får vi mange nye indsigter i naturens mest fundamentale love netop via solid-state fysikken. Jeg håber, at vores model her kan spille en lignende rolle.«

Hvordan ser det så ud med tidsmaskiner? Hvis lyset i metamaterialet drejer og bøjer sig på grund af ujævnheder og plasmasvingninger, kunne man så ikke forestille sig, at man kunne bygge en slags cirkel – et loop – der gør, at man kan gå tilbage til et sted, hvor man har været før, for så at genleve nutiden?

For at undersøge dette, forestiller Smolyaninov sig et cylindrisk metamateriale, hvor z- og radialdimensionen er rumdimensioner, og den angulære afstand rundt om cylinderen gør det ud for tiden. Systemet understøtter lysbølger i at følge en cirkulær rute og ende dér, hvor de udsprang, men det viser sig, at transformationen af den angulære dimension til at være en slags tidsdimension ikke fungerer i den situation. Kun bevægelseslinjer meget tæt på et lukket loop kan fungere som tidsdimension. Tidsmaskiner til at rejse tilbage og lave om på fortiden findes altså ikke, end ikke teoretisk. Man vil altid lande et andet sted i rumtiden end hvor man begyndte.

Øv, øv, og atter øv. Men på den anden side er der også noget positivt at fortælle. I et tidligere paper viste Smolyaninov, at metamaterialer kan bruges til at studere andre universer i andre dimensioner. Så selvom vi ikke kan rejse tilbage i tiden i vores eget univers, ville vi måske godt kunne kravle ind i et ormehul og besøge et alternativt univers, hvor tingene har udviklet sig på en helt anden måde.

0 comments:

There was an error in this gadget