Metamaterijali otvaraju nove vidike ka drugim svetovima

Tu je već ogrtač Harija Potera u kojem smo nevidljivi, a Alisino ogledalo, i jedno i drugo plodovi imaginacije pisaca, pretvorićemo u kabinet i laboratoriju fizike.

"...grupa fizičara sa Kalifornijskog univerziteta Berkli predložila je metamaterijal, koji ako se napravi, može da zarobi svetlost poput crne rupe"

Umesto da koristimo supstancu poznatu pod nazivom metamaterijali¹ da uklonimo neželjene objekte iz vidokruga, neki naučnici bi želeli da ove čudne materijale upotrebe za izgradnju prozora u nove svemire, one sa iz osnova drugačijom fizikom. Zavirujući kroz te prozore, mogli bismo da otkrijemo kako drugi svetovi funkcionišu i kako je ovaj svet – u kojem obitavaju strasni čitaoci J.K.Rolingove i Luisa Karola- možda nastao.

Metamaterijali mogu da budu napravljeni tako da imaju svojstva koja se umnogome razlikuju od onih koja poseduje materija u našem okruženju. Promenom električnih i magnetnih svojstava svetlosti, naučnici mogu da naprave metamaterijale koji se uvrću, savijaju ili manipulišu svetlošću na drugačiji način. Moć kojom svetlost usmeravamo na neuobičajene načine dovela je do pomame za ogrtačem u kojem smo nevidljivi, i upriličilo izgradnju supersočiva sa bez presedana moćnom žižom.

Umetnička predstava multiverzuma

Prošle godine, grupa fizičara sa Kalifornijskog univerziteta Berkli predložila je metamaterijal, koji ako se napravi, može da zarobi svetlost poput crne rupe (SN, 10/10/09, p 10.). Matematika koja opisuje proces u tom materijalu podseća na jednačine koje se odnose na ponašanje crnih rupa.

Sada je Igor Smolyaninov sa Merilend univerziteta, (College Park), razvio dodatne "neuobičejne obrasce" ("strange schemes"), kako ih je nazvao. Ispostavilo se da metamaterijali mogu da posluže za dobijanje šire kosmičke diorame², tako što manipulišući svetlošću može da se dobije replika oblika prostorvreme.

"Kod metamaterijala imamo situaciju u kojoj stvaramo optičko prostorvreme", kaže Smolyaninov. "I možemo da ugradimo osobine prostorvremena".

"Nije mi jasno kuda sve ovo vodi ali nalazim da je interesantno"

Joseph Polchinski sa Kalifornijskog univerziteta, Kavli Institut za teorijsku fiziku, (Santa Barbara), kaže da je bio skeptičan kada je ovo pročitao. Nije siguran da bi analogije koje Smolyanianov predlaže bile dovoljne da bi se testiralo ono što je bitno u njegovom polju istraživanja. Uskoro je radoznalnost potisnula sumnje.

"Nije mi jasno kuda sve ovo vodi ali nalazim da je interesantno", rekao je. "Ništa ne može da se poredi sa nekim realnim fizičkim sistemom koji vam je praktično u rukama, pa da počnete da razmišljate o stvarima na nov način".

Kada je Alisa zakoračila kroz ogledalo, ušla je u svet u kojem je sve bilo nestvarno i uvrnuto. Na papiru, reči su bile napisane obrnutim redosledom, satovi su imali ljudska lica, lebdenje je bio razuman način da se krećete unaokolo. Neki fizičari nalaze da je moguće da postoje neki drugi kosmosi pored ovog našeg. I vrlo je moguće da u njima vladaju neki drugi zakoni fizike, da se razlikuju po broju dimenzija, i da su zakrivljenosti prostorvremena drugačije. Budući da su ovi kosmosi, poznatiji pod nazivom multikosmos, nevidljivi, nemoguće ih je proučavati.

Smolyaninov je izašao sa predlogom online arXiv.org i prilogom u narednom broju Magazin optike (Journal of Optics). Metamaterijali, tvrdi, mogu da se izgrade tako da oponašaju multikosmose. Kaže da sama ideja nije komplikovana: džepovi sa drugačijim svojstvima mogu biti izgrađeni da imitiraju kosmose jedne pored drugih. Džepovi mogu da budu izgrađeni tako što bi se svetlosti ili onemogućilo da pobegne, baš kao u scenariju sa crnim rupama, ili bi joj dozvolili da se kreće između njih.

I baš kao što, prema nekim fizičarima, i u vidljivom kosmosu postoje kompaktifikovane dimenzije³, sabijene pa nevidljive, isto bi moglo da se izvede sa dimenzijama drugih kosmosa u metamaterijalu. Na primer, mogu da se nađu jedan pored drugog "džep", ili "svemir" sa dve kompaktifikovane dimenzije i dve naglašene i drugi sa tri kompaktifikovane i jedne vidljive dimenzije.

Teoretičarima su sistemi analogije uvek dobrodošli, kaže stručnjak za metamaterijale Ulf Leonhardt sa Univerzite St Andrews, Škotska. Čini mu se da bi nešto moglo da se nauči i iz ovakvog sistema. "U nekim oblastima astrofizike oslanjamo se samo na teorije", kaže. "Oslanjamo se samo na teorije već prilično dugo".

Ideja o kompaktifikovanim dimenzijama u kosmosu prisutna je već neko vreme. Poljski matematičar i fizičar Theodor Kaluza je 1920. godine je izašao sa idejom da postoji jedna ekstra dimenzija pored tri prostorne i jedne vremenske koje uočavamo. Neposredno za njim oglasio se švedski fizičar Oskar Klein sa tezom da bi jedna takva dodatna dimenzija mogla da bude umotana u malu petlju. Budući suviše mala, dimenzija ne bi bila nalik onima koje ljudi vide i vole, koje nam omogućavaju da kažemo da se krećemo napred nazad, gore dole, sa jedne strane na drugu. Ali česticama ne bi prošla nezapažena. Ova ekstra dimenzija bila je za elektormagnetizam isto što i opšta teorija relativnosti za gravitaciju, podarilo je polje pojačane geometrije.

Uobičajeno pojednostavljeno objašnjenje kompaktifikovane dimenzije jeste da zamislite mrava kako se kreće po baštenskom crevu. Izdaleka crevo izgleda kao jednodimenzionalno, i mrav se kreće samo njegovom dužinom. Ali kada se približite postaje očigledno da mrav može i da ide u krug oko creva, tako da ste dobili novu dimenziju. Baš kao što je ova druga dimenzija bila nevidljiva posmatraču sa udaljenosti, tako je imoguće da se neka ekstra dimenzija krije od pogleda ljudi u realnom svetu.

Smolyaninov nalazi da je Kaluza-Klain ideja "okosnica teorijske fizike". I mada je na početku sugerisao multikosmose od metamaterijala sa tek nekoliko dimenzija, već 6. septemra online arXiv.org izlazi sa predlogom da se sa metamaterijalima mogu imitirati svetovi sa pet i više dimenzija. Simulacijom prostora sa više dimenzija moglo bi se izvesti više analogija zanimljivijih pobornicima teorije struna, koji nalaze da je postojanje više dimenzija suviše malo da bismo ih primetili.

Materijali koje je Smolyaninov zamislio, mogu da sadrže fotone sa beskonačnim brojem kvantih stanja. Kod promene, u temperaturi na primer, materijal, ako se dobro napravi, može da se vrati u stanje u kojem fotoni ne mogu da okupiraju toliko pozicija. Kada se transformacija odigra, čestice moraju da se emituju, kao kad bi deca u igri muzičke stolice ispali iz igre svi odjednom. Ovi emitovani fotoni napravili bi bljesak svetlosti.

"To izgleda kao u situaciji Veliki prasak", kaže Smolianinov. Takav bljesak mogao bi da bude simulacija rođenja svemira.

Do bljeska bi smo mogli da dođemo i na drugi način, navodi dalje Smolianinov. Razmotrite dimenzije za koje ljudi imaju iskustvo, da ostavimo idelju Kaluzo-Klain po strani. U pitanju su tri dimenzije za prostor i jedna za vreme. Vremenska dimenzija se drugačije ponaša i zato za nju imamo posebnu matematiku da bismo je objasnili. Ali kad dođe do onog što nazivamo promenom metričkog potpisa (metric signature), vremenska dimenzija može da pokaže karakteristike vezane za prostornu dimenziju, ili obrnuto. Metamaterijali mogu takođe da repliciraju matematiku koja stoji iza ove vrste transformacije, kako tvrde Smolyaninov i Evgeneii Narimanov of Purdue University in West Lafayette Ind., u Physical Review Letters od 6. avgusta.

Smolyaninov navodi da su teoretičari već raspravljali o ideji da su moguće dve vremenske dimenzije.  Ali u kosmologiji ove ideje ostaju kontroverzne, kaže Leonhardt. "Ne postoji konsenzus o tome šta bi se desilo kad bi jedna prostorna dimenzija prešla u vremensku", kaže. Na neki način, ova neizvesnost čini predloženu analogiju interesantnijom. "Mogli biste da se upustite u sve i posmatrate šta će se desiti".

Polchinski kaže: "Malo ljudi se slaže sa idejom da je pri Velikom prasku došlo do promene metričkog potpisa, diferencijalne jednačine ne daju smislena rešenja u svetu sa dva vremena". Ipak, slaže se, ako može da se napravi sistem, onda i matematika mora da to potvrdi.

Dakle, da li je moguće napraviti tako nešto? Kristofer Davis, Smolyaninov kolega sa Meryland univerziteta, kaže da nije. "Ne možete napraviti to o čemu on govori od materijala kojim raspolažemo".

Smolyaninov odgovara: "Ne zasada". On puno očekuje od napretka u nanotehnologiji, kao i da iskrsne nešto u novoj optičkoj tehnologiji.

I dok nove tehnologije mogu da proizvedu nove praktične naprave, multisvetovi od metamaterijala ostaju u domenu spekulacija.

Smolyianinov ipak oprezno ističe da su sličnosti koje vidi između prostorvremena i metamaterijala matematičke, ne neophodno i fizičke. Nije siguran da li ono što predlaže da se nalazi sa druge strane ogledala može da predstavlja stvarnost.

"Možda je ceo kosmos izgrađen na sličan način", kaže Smolyaninov. "Svejedno, bilo tačno ili ne, jednostavno ne znamo".

(ScienceNews, u broju za 23. oktobar, vol 178 # 9, str.28;)

Prevela i pripremila T.P.

 

¹diorama – providna slika, okrugla slika na providnoj materiji koja, pomoću veštačkog osvetljenja pokazuje promenljjive svetlosne tonove; pronašao Dager 1822. Vujaklija, Leksikon stranih reči i izraza, Prosveta 1975.; u engl. veštački napravljen svet u malom, ili figura, i sl.

² metamaterijal – veštački materijal sa svojstvima koja ne nalazimo u prirodnom okruženju; videti definiciju i slike na pr. na Vikipediji;

³ Od compactify, engl. - više dimenzija u prostorvremenu jako zakrivljenih tako da se ne vide pod normalnim okolnostima;