Znajdź zawartość

Najpopularniejsza i uznawana za obowiązującą (choć mająca już ciekawą konkurencję) kosmologiczna teoria Wielkiego Wybuchu jest dość trudna do eksperymentalnego potwierdzenia. Być może jednak coś da się w tej materii zrobić: na przykład wymodelować czasoprzestrzeń o innej liczbie wymiarów. Brzmi nierealnie? Nie dla współczesnej techniki! Na samym początku, jak sądzi część teoretyków, wszechświat nie musiał mieć takiej struktury, jaką dziś znamy: czyli trzech wymiarów przestrzeni i jednego wymiaru czasowego. Zamiast tego posiadał dwa wymiary przestrzeni i dwa wymiary czasu. Kiedy przekształcał się on w znaną nam strukturę czasoprzestrzeni, dodatkowe wymiary przewidywane przez teorię strun - jak sądzą fizycy - zwinęły się. Procesowi temu miałoby towarzyszyć zjawisko zwane Wielkim Błyskiem, czyli nagły wzrost radiacji. Przejście od takiego dziwnego wszechświata do nam znanego chce wymodelować eksperymentalnie para fizyków: Igor Smolyaninov z Uniwersytetu Maryland w College Park oraz Evgenii Narimanov z Uniwersytetu Purdue w West Lafayette, w stanie Indiana. Rozważywszy sposób rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w takim dziwnym, przemieniającym się uniwersum dwaj panowie uważają, że da się go wywołać w rzeczywistości, na stole laboratoryjnym. Kluczem do tego miałyby być metamateriały, czyli materiały pozwalające precyzyjnie kontrolować sposób rozchodzenia się w nich światła. Naginanie czasoprzestrzeni w laboratorium? Metamateriały, o których niedawno pisaliśmy, dają nadzieję na powstanie niezwykłych przyrządów optycznych: doskonałych soczewek, potężnych mikroskopów czy materiałów dających niewidzialność. Pomysł Smolyaninova i Narimanova jest jednak daleko bardziej zdumiewający. Kiedy fale świetlne przechodzą przez przezroczysty materiał, ich prędkość zmienia się: maleje długość fali, rośnie zaś częstotliwość. Taka zmiana przebiega jednakowo we wszystkich kierunkach. Smolyaninov i Narimanov opisują teoretycznie metamateriały, w których zależność pomiędzy częstotliwością fali a przestrzenną zmianą pola jest wysoce anizotropowa (niejednakowa dla różnych kierunków). Dla określonych konfiguracji możliwe byłoby zwiększenie rzeczywistej długości fali w wybranym kierunku, podczas kiedy generalna częstotliwość fali zmniejszałaby się. Zespół fizyków uważa, że taka założona hiperboliczna zależność pomiędzy przestrzenną a czasową zmiennością fali elektromagnetycznej odpowiada temu, co działo się w czasoprzestrzeni z dwoma wymiarami przestrzennymi i dwoma czasowymi. Jedną z właściwości takiej specyficznej geometrii jest nieskończona ilość układów pola elektromagnetycznego możliwych dla wybranej długości fali - w naszej (normalnej) czasoprzestrzeni liczba takich układów jest duże, ale nie nieskończona. Opisywany teoretycznie radiacyjny Wielki Błysk podczas przekształcania się wczesnej czasoprzestrzeni w obecną byłby spowodowany właśnie uwolnieniem energii istniejącej w nieskończonych układach pól. Pomysłodawcy zapewniają, że kontrolowana w ten sposób w laboratorium fala nie doprowadzi do żadnych osobliwości ani paradoksów w rodzaju podróży w czasie. Będzie to normalne, fizyczne zjawisko, modelujące jedynie pewien aspekt założonej teoretycznie czasoprzestrzeni. Będzie ono ponadto podlegać prozaicznym ograniczeniom, jak rozpraszanie i utrata energii, które teoria celowo pomija. Czy pomysł zostanie wcielony w życie? Bardzo możliwe. Studium dwojga autorów, opublikowane w Physical Review Letters z 6 sierpnia, proponuje wykonanie eksperymentalnej struktury z konkretnego metamateriału: cienkich arkuszy stworzonych z drobnych drutów galu. Stawałyby się ona bardziej przewodliwe topiąc się w temperaturze nieco wyższej od pokojowej. Według obliczeń topnienie zamieniałoby taki metamateriał ze zwykłego w hiperboliczny i z powrotem. Zatem podczas schładzania rozgrzanego materiału można by obserwować zjawisko analogiczne do Wielkiego Błysku.

Na Purdue University trwają prace nad opracowaniem materiału idealnie czarnego, czyli takiego, który będzie pochłaniał całe promieniowanie elektromagnetyczne w konkretnym zakresie. Profesor Evgenii Narimanov jest zdania, że można tak zaprojektować metamateriał, by spełniał wymieniony powyżej warunek. Naukowiec we współpracy z Mikhailem Noginovem i jego kolegami z Norfolk State University stworzyli materiał złożony ze srebrnych drucików o średnicy 35 nanometrów każdy, które umieszczono na tlenku glinu o powierzchni 1 cm2 i grubości 51 mikrometrów. Materiał badano oświetlając go promieniowaniem o długości około 900 nanometrów pod kątem mniejszym niż 45 stopni. Okazało się, że gdy materiał był oszlifowany, odbijał około 20% promieniowania. Jednak gdy nie był szlifowany, odbijał mniej niż 1% promieni. Narimanov uważa, że jego pomysł można zastosować do całego spektrum promieniowania elektromagnetycznego. W wywiadzie dla New Scientist stwierdził, że podobne metamateriały zostaną najpierw użyte przez wojsko w zastosowaniach dotyczących promieniowania o częstotliwości liczonej w gigahercach. Oznacza to, że mogą powstać samoloty i inne urządzenia niewidoczne dla najnowocześniejszych radarów.