lunes, 18 de abril de 2011

La imposibilidad de viajar en el tiempo confirmada por un metamaterial

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

Los metamateriales son estructuras periódicas que pueden ser diseñadas para dirigir la luz de una manera específica. El truco consiste en manipular las propiedades del "espacio electromagnético" en el que la luz viaja controlando los valores de la permitividad y la permeabilidad de este espacio.

En los últimos años, los físicos han tenido una gran cantidad de diversión utilizando metamateriales para construir todo tipo de dispositivos emocionantes, la más conocida es una capa de invisibilidad que dirige la luz alrededor de un objeto, con lo que se logra ocultar de la vista.

Pero los metamateriales tienen una aplicación más profunda porque no hay una analogía formal entre las matemáticas de los espacios electromagnéticos y las matemáticas 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. Hemos visto algunas de estas ideas, como la manera de construir un agujero negro e incluso crear un multiverso.

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

Al mismo tiempo, el ejercicio da una visión curiosa en la posibilidad de viajar en el tiempo.

La flecha del tiempo es un viejo enigma. 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, usted puede fácilmente romper un huevo o mexclar leche con su café, pero revertir estos procesos es difícil. La observación de fenómenos como éstos se definen en la flecha del tiempo.

Pero ¿por qué las flechas termodinámica y cosmológica de tiempo apuntan en la misma dirección?

Los metamateriales pueden ayudar a los investigadores a estudiar este problema, ya que es posible manipular el modo en que las dimensiones espaciales se vuelvan temporales. Smolyaninov describe cómo crear un material en el que el las direcciones X e Y son, semejante al espacio, mientras que la dirección Z es temporal.

La luz se mueve así en este espacio de manera análoga al comportamiento de una partícula masiva en un espacio-tiempo (2 +1) de Minkowski, que es similar a nuestro propio universo. Así 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 la Gran Explosión en el metamaterial se produce cuando el patrón de los rayos de luz se expande en relación con la z-dimensión, o en otras palabras, cuando las líneas de universo se amplían en función del tiempo. Esto establece una flecha cosmológica del tiempo.

La siguiente pregunta es cómo esta flecha se refiere a una flecha termodinámica del tiempo. Esto requiere una definición de la entropía en el interior del metamaterial que Smolyaninov dice que es una especie de medida del desorden asociado con los rayos de luz.

Si los metamateriales son perfectos los rayos se propagan perfectamente. Pero no son perfectos y así se distorsionan los rayos mientras se propagan. Esto determina una flecha termodinámica del tiempo y muestra por qué es la misma que la flecha cosmológica del tiempo.

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

En el pasado, los científicos sólo han sido capaces de pensar sobre estos problemas en teoría, pero ahora los metamateriales permiten el estudio de forma experimental.

Sorprendentemente, Smolynainov y un colega, Yu-Ju Hung, han construido su simulador de tiempo. Su sistema se realiza mediante tiras de plástico especiales colocadas 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 son distorsionados mediante tiras de plástico.

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

A continuación, pasa a utilizar su modelo para estudiar las flechas del tiempo. ¡Imagínese: su propia flecha del tiempo a la medida!

Este sistema también ofrece una interesante visión de la naturaleza de las máquinas del tiempo. La cuestión Smolyaninov pregunta es si es posible crear curvas cerradas como el tiempo en su material. Esto equivale a preguntarse si es posible para las partículas en un espacio de Minkowski para viajar en una curva que los lleva de nuevo al punto en el espacio-tiempo en el que comenzó.

Él considera que esta imaginando un metamaterial cilíndrico en la que la z-dimensión y la dimensión radial son el espacio y como la distancia angular alrededor del cilindro es de tiempo similar. Se pueden cerrar las curvas como el tiempo en este sistema, se pregunta. "A primera vista, esta pregunta es simple, y la respuesta debería ser sí," él dice.

Pero bajo un examen más detallado de la respuesta resulta ser diferente. Señala que si bien es posible que los rayos de luz siguen trayectorias circulares que volver al punto desde donde empezaron, estos rayos no perciben la dimensión angular como temporal.

En comparación, cualquier rayo que perciba la dimensión angular como temporal en realidad no puede volver al mismo punto del espacio-tiempo, (aunque se puede recorrer una línea del mundo que está muy cerca de una curva cerrada de tiempo similares). Así que las máquinas del tiempo, incluso triviales como esta, son imposibles.

Esto es sumamente un impresionante trabajo. Smolyaninov es uno de los pensadores más importantes del mundo en metamateriales y ha hecho mucho para avanzar en la teoría que vincula los espacios electromagnéticos y Minkowski.

Ahora él esta realmente ensuciándose las manos. En la creación de los metamateriales que reproduzcan el Big Bang y las flechas del tiempo, sin duda ha logrado un hito extraordinario.

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