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Metamaterial enthüllt die Natur der Zeit und die Unmöglichkeit von Zeitmaschinen
Metamaterialien sind periodische Strukturen, die so konstruiert werden können, dass sie Licht auf bestimmte Weise lenken. Der Trick besteht darin, die Eigenschaften des elektromagnetischen Raums, in dem sich das Licht ausbreitet, zu manipulieren, indem die Werte der Permittivität und Permeabilität dieses Raums gesteuert werden.
Physiker haben in den letzten Jahren viel Spaß daran gehabt, aus Metamaterialien allerlei spannende Geräte zu bauen. Am bekanntesten sind Unsichtbarkeitsmäntel, die das Licht um ein Objekt lenken und es so den Blicken entziehen.
Metamaterialien haben jedoch eine tiefere Anwendung, da es eine formale Analogie zwischen der Mathematik elektromagnetischer Räume und der Mathematik der Allgemeinen Relativitätstheorie und der von ihr beschriebenen Raumzeit gibt.
Das bedeutet, dass es möglich ist, innerhalb eines Metamaterials eine exakte Kopie vieler Merkmale der Raumzeit zu reproduzieren. Wir haben uns eine Reihe dieser Ideen angeschaut, beispielsweise wie man ein Schwarzes Loch baut und sogar ein Multiversum .
Heute sagt Igor Smolyaninov von der University of Maryland, College Park, es sei möglich, den Zeitpfeil in einem Metamaterial nachzubilden. Ein solches Experiment, sagt er, erlaubt die experimentelle Untersuchung eines der großen herausragenden Mysterien der Wissenschaft: Warum der kosmologische Zeitpfeil derselbe ist wie der thermodynamische Zeitpfeil.
Gleichzeitig gibt die Übung einen kuriosen Einblick in das Potenzial von Zeitreisen.
Der Zeitpfeil ist ein seit langem bestehendes Rätsel. Viele Kosmologen glauben, dass das Universum mit dem Urknall begann, einem Ereignis, das eindeutig in unserer Vergangenheit liegt.
Und doch stammt unsere Standarddefinition von Zeit aus der Thermodynamik und der Beobachtung, dass die Entropie mit der Zeit immer zunimmt. Sie können zum Beispiel leicht ein Ei zerbrechen oder Milch in Ihren Tee mischen, aber diese Prozesse umzukehren ist schwierig. Die Beobachtung von Phänomenen wie diesen definiert den Zeitpfeil.
Aber warum sollten der kosmologische und der thermodynamische Zeitpfeil in dieselbe Richtung zeigen?
Metamaterialien können Forschern dabei helfen, dieses Problem zu untersuchen, da es möglich ist, sie so zu manipulieren, dass raumähnliche Dimensionen zeitähnlich werden. Smolyaninov beschreibt, wie man ein Material erzeugt, bei dem die x- und y-Richtungen raumähnlich sind, während die z-Richtung zeitähnlich ist.
Die Art und Weise, wie sich Licht in diesem Raum bewegt, ist genau analog zum Verhalten eines massiven Teilchens in einer (2+1) Minkowski-Raumzeit, die unserem eigenen Universum ähnlich ist. Das Muster der Lichtausbreitung innerhalb dieses Metamaterials entspricht also den Weltlinien eines Teilchens in einem Minkowski-Universum.
Smolyaninov sagt, dass ein Urknallereignis im Metamaterial auftritt, wenn sich das Muster der Lichtstrahlen relativ zur z-Dimension ausdehnt, mit anderen Worten, wenn sich die Weltlinien als Funktion der Zeit ausdehnen. Dies stellt einen kosmologischen Zeitpfeil her.
Die nächste Frage ist, wie dieser Pfeil mit einem thermodynamischen Zeitpfeil zusammenhängt. Dies erfordert eine Definition der Entropie innerhalb des Metamaterials, die Smolyaninov zufolge eine Art Maß für die mit den Lichtstrahlen verbundene Unordnung ist.
Wenn die Metamaterialien perfekt sind, sollten sich die Strahlen perfekt ausbreiten. Aber sie sind nicht perfekt und verzerren so die Strahlen, wenn sie sich ausbreiten. Dies bestimmt einen thermodynamischen Zeitpfeil und zeigt, warum er mit dem kosmologischen Zeitpfeil identisch ist.
Aber es gibt natürlich ein Problem. Obwohl es eine formale mathematische Analogie zwischen diesen Räumen gibt, ist es überhaupt nicht klar, welche Rolle im Minkowski-Raum die unvollkommene Ausbreitung von Licht durch den elektromagnetischen Raum spielt.
In der Vergangenheit konnten Wissenschaftler über diese Probleme nur theoretisch nachdenken, aber Metamaterialien ermöglichen es ihnen jetzt, sie experimentell zu untersuchen.
Erstaunlicherweise haben Smolynainov und ein Kollege, Yu-Ju Hung, tatsächlich ihren Zeitsimulator gebaut. Ihr System besteht aus speziell geformten Kunststoffstreifen, die auf einem Goldsubstrat angebracht sind. Und die Lichtstrahlen sind eigentlich Plasmonen, die sich über die Oberfläche des Metalls ausbreiten, während sie von den Plastikstreifen verzerrt werden.
Dies stellt eine Reihe von Premieren dar. Smolyaninov nutzt dieses System zunächst, um den Urknall in seinem Labor nachzustellen. Er nennt es einen Spielzeug-Urknall, aber die Bedeutung dieses Ereignisses ist schwer zu unterschätzen. Ein Urknall im eigenen Labor!
Dann verwendet er sein Modell, um die Pfeile der Zeit zu studieren. Stellen Sie sich vor: Ihren eigenen, maßgeschneiderten Zeitpfeil!
Dieses System gibt auch einen interessanten Einblick in das Wesen von Zeitmaschinen. Die Frage, die Smolyaninov stellt, ist, ob es möglich ist, in seinem Material geschlossene zeitähnliche Kurven zu erzeugen. Dies ist gleichbedeutend mit der Frage, ob es für Teilchen in einem Minkowski-Raum möglich ist, sich in einer Kurve zu bewegen, die sie zu dem Punkt in der Raumzeit zurückführt, an dem sie begonnen haben.
Er betrachtet dies, indem er sich ein zylindrisches Metamaterial vorstellt, bei dem die z-Dimension und die radiale Dimension raumähnlich sind und der Winkelabstand um den Zylinder zeitähnlich ist. Können in diesem System geschlossene zeitähnliche Kurven existieren, fragt er. Auf den ersten Blick sei diese Frage einfach, und die Antwort sollte ja lauten, sagt er.
Bei näherer Betrachtung fällt die Antwort jedoch anders aus. Er weist darauf hin, dass Lichtstrahlen zwar kreisförmigen Bahnen folgen können, die zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehren, diese Strahlen jedoch die Winkeldimension nicht als zeitähnlich wahrnehmen würden.
Im Vergleich dazu kann kein Strahl, der die Winkeldimension als zeitähnlich wahrnimmt, tatsächlich zum selben Punkt in der Raumzeit zurückkehren (obwohl er eine Weltlinie durchlaufen kann, die einer geschlossenen zeitartigen Kurve sehr nahe kommt). Zeitmaschinen, selbst so triviale wie diese, sind also unmöglich.
Das ist eine unglaublich beeindruckende Arbeit. Smolyaninov ist einer der weltweit führenden Denker im Bereich Metamaterialien und hat viel zur Weiterentwicklung der Theorie beigetragen, die elektromagnetischen und Minkowski-Räume verbindet.
Jetzt macht er sich tatsächlich die Hände schmutzig. Mit der erstmaligen Erstellung von Metamaterialien, die den Urknall und die daraus resultierenden Zeitpfeile reproduzieren, ist ihm sicherlich ein außergewöhnlicher Meilenstein gelungen.
Ref: arxiv.org/abs/1104.0561 : Modellierung von Zeit mit Metamaterialien
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