物理学家在马里兰州实验室模拟时间的终结

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映的是作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点


去年九月,我在《大众科学》上发表了一篇文章,内容是关于时间终结意味着什么——世界如何不再以单向的因果序列展开。例如,一些过程可能导致时间变形为空间维度。上周,实验人员宣布他们在实验室里模拟了这样一场时间灾难。由于无法跟上预印服务器上物理论文的涌现速度,我在arXiv博客上发现了这篇文章,我强烈推荐给所有物理爱好者。

马里兰大学的伊戈尔·斯莫利亚尼诺夫 (Igor Smolyaninov)和他的同事所做的是一种间接的方式——一种类比的类比。他们并没有使我们所知的时间戛然而止。相反,他们创建了一个物理学家经常绘制的时空图的实验版本。在这些图中,其中一个轴——按照惯例,垂直轴——被指定为时间。然后,线条代表运动中的物体。为了确保没有任何东西的运动速度超过光速,引入了新的几何规则。斯莫利亚尼诺夫的团队实际上构建了一个复合图:下半部分是时空,上半部分是空空。在中间点,垂直轴从时间突然变为空间,几何规则恢复为通常的欧几里得形式,而有趣之处在于弄清楚物质在该连接点处发生了什么。

这个模型忠实地再现了时空,因为一个显著的事实:描述时空的方程式(基于爱因斯坦的相对论)与描述普通流体和固体系统的方程式在数学上是相同的。科学家经常使用隐喻,但在这种情况下,隐喻不仅仅是简单的比较,而是一个精确的模型。许多物理学家利用这一事实构建了黑洞的流体模型,去年,加拿大意大利的研究小组声称在这些模型中检测到了霍金辐射的类似物。一些理论家非常认同这种等价性,他们认为时空可能实际上是一种流体


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斯莫利亚尼诺夫和他的同事使用等离子体来创建他们的类似物,等离子体是一种二维形式的光,沿着金属和绝缘体之间的界面移动。等离子体很容易用类似于平面世界的镜子、透镜、偏振器和激光器来操纵。2006年,《大众科学》授予斯莫利亚尼诺夫SA50奖,以表彰他使用捕获等离子体的甘油液滴创建黑洞类似物。他的团队还构建了可能在现实世界中不存在的引力系统模型,例如虫洞时间机器。

在最新的壮举中,斯莫利亚尼诺夫和他的同事创建了平面世界的超材料等效物,该材料具有在自然界中未见的新颖光学特性。他们在金属上沉积了丙烯酸条纹;改变条纹的宽度和间距会改变有效介电常数,这是一种控制等离子体传播的电学特性。在一个方向上,介电常数为正(就像在天然材料中一样)。在垂直方向上,介电常数为负。负方向的行为类似于时空图上的时间轴。等离子体的路径与物理学家用来表示物体运动的线条相匹配。

为了带来时间的终结,斯莫利亚尼诺夫和他的同事调整了条纹间距,使有效介电常数从负变为正。他们发现等离子体的强度急剧增加,导致非线性效应,在时空中,这将对应于粒子的产生——基本上就是霍金辐射。简而言之,物质会在时间终结时变得混乱。它不会温顺地进入那美好的夜晚。

物理学家提出时间可能变形为空间的原因之一是,它可能解释宇宙加速,而无需任何暗能量。本质上,当我们接近时间的终结时,我们对时间的感知会减慢,从而导致宇宙膨胀显得加速。时间的终结就像雕像一样将宇宙冻结在原地。这似乎没有发生在马里兰大学的模型中,但也许一个变体可以探索这个想法。所以我认为这仅仅是时间终结研究的开始。

时间终结实验(显微镜下的样品,被蓝色激光照射)。照片由伊戈尔·斯莫利亚尼诺夫提供

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