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

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Artículo original publicado el 6 de abril de 2011 en el blog The Physics ArXiv Blog.

Recreando por primera vez el Big Bang dentro de un metamaterial, los físicos han demostrado por qué la flecha cosmológica del tiempo apunta en la misma dirección que la flecha termodinámica del tiempo.

Los metamateriales son estructuras periódicas que pueden diseñarse para dirigir la luz de una forma específica. El truco está en manipular las propiedades del “espacio electromagnético” en el cual la luz viaja controlando los valores de la permitividad y permeabilidad de este espacio.

Tiempo y Big Bang


En los últimos años, los físicos se han divertido mucho usando metamateriales para construir todo tipo de excitantes dispositivos, el más conocido una capa de invisibilidad que desvía la luz alrededor de un objeto, y por tanto lo oculta a la visión.

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

Esto significa que es posible reproducir dentro de un metamaterial una copia exacta de muchas de las características del espacio-tiempo. Ya hemos visto antes una variedad de estas ideas, tales como construir un agujero negro e incluso crear un multiverso.

Hoy Igor Smolyaninov de la Universidad de Maryland en 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 mayores misterios de la ciencia: Por qué la flecha del tiempo cosmológica es la misma que la termodinámica. Al mismo tiempo, el ejercicio ofrece una curiosa visión del potencial viaje en el tiempo. La flecha del tiempo es un viejo misterio. Muchos cosmólogos creen que el universo empezó con el Big Bang, un evento que está claramente en nuestro pasado. Y aún así nuestra definición estándar del tiempo procede de la termodinámica y la observación de que la entropía siempre aumenta con el tiempo.

Por ejemplo, puedes romper fácilmente un huevo, o mezclar la leche en tu té, pero realizar el proceso inverso en complicado. Observar fenómenos como estos definen la flecha del tiempo. Pero, ¿Por qué las flechas del tiempo cosmológicas y termodinámicas deberían apuntar en la misma dirección? Los metamateriales pueden ayudar a los investigadores a estudiar este problema debido a que es posible manipularlos de forma que las dimensiones espaciales se conviertan en temporales. Smolyaninov describe cómo crear un metamaterial en el cual las direcciones x e y son espaciales mientras que la z es temporal. La forma en que se mueve la luz en este espacio es exactamente análoga al comportamiento de una partícula masiva en un espacio-tiempo de Minkowski (2+1), que es similar a nuestro universo. Por lo que el patrón de propagación de la luz dentro de este metamaterial es equivalente a las “líneas del universo” de una partícula en un universo de Minkowski.

Smolyaninov dice que un evento de Big Bang en el metamaterial tiene lugar cuando el patrón de rayos de luz se expande en relación a la dimensión z, o en otras palabras, cuando las líneas del universo se expanden como una función del tiempo. Esto establece una flecha del tiempo cosmológica- La siguiente cuestión es cómo se relaciona esta flecha con la termodinámica. Esto requiere una definición de entropía dentro del metamaterial, la cual según Smolyaninov es un tipo 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, por tanto, distorsionan los rayos conforme pasan. Esto determina una flecha termodinámica del tiempo y demuestra por qué la flecha del tiempo cosmológica es la misma que la termodinámica.

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

En el pasado, los científicos sólo han podido pensar teóricamente sobre estos problemas, pero los metamateriales les permiten ahora estudiarlos experimentalmente.

Sorprendentemente, Smolyaninov y su colega, Yu-Ju Hung, han construido realmente su simulador temporal. Su sistema está hecho usando bandas de plástico con una forma especialmente diseñada sobre un sustrato de oro. Y los rayos de luz son en realidad plasmones que se propagan a través de la superficie del metal mientras que se ven distorsionados por las bandas de plástico.

Esto representa un número de principios básicos. Para empezar, Smolyaninov usa este sistema para recrear el Big Bang en su laboratorio. Lo llama Big Bang de juguete, pero es difícil subestimar el significado de este evento. ¡Un Big Bang en nuestro propio laboratorio!

Luego pasa a usar su modelo para estudiar las flechas del tiempo. Imagina: ¡Tu propia flecha del tiempo hecha a mano!

Este sistema también da una interesante visión sobre la naturaleza de las máquinas del tiempo. La cuestión que Smolyaninov se hace es si es posible crear curvas espacio-temporales cerradas en este material. Esto es equivalente a preguntarse su es posible para las partículas de un espacio de Minkowski viajar en una curva que las lleve al punto del espacio-tiempo en el que empezaron.

Considera esto imaginando un metamaterial cilíndrico en el cual la dimensión z y la dimensión radial son espaciales y la distancia angular alrededor de los cilindros es temporal. Se pregunta su pueden existir curvas en este sistema. “A primera vista, esta cuestión es simple, y la respuesta debería ser ‘sí’”, comenta.

Pero bajo un examen más detallado, la respuesta resulta ser distinta. Señala que aunque es posible que los rayos de luz sigan caminos circulares que los lleven al punto donde empezaron, estos rayos no perciben la dimensión angular como una temporal.

En comparación, cualquier rayo que perciba la dimensión angular como temporal, no puede volver al mismo punto del espacio-tiempo, aunque puede viajar en una línea del universo que está muy cerca de una curva temporal cerrada. Por lo que las máquinas del tiempo, incluso las triviales como ésta, son imposibles.

Es un trabajo realmente impresionante. Smolyaninov es uno de los pensadores principales en el mundo sobre metamateriales y ha hecho mucho por el avance de la teoría que los vincula con los espacios electromagnéticos y de Minkowski.

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


Fecha Original: 6 de abril de 2011
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