Un métamatériau révèle la nature du temps et l'impossibilité des machines à remonter le temps

Les métamatériaux sont des structures périodiques qui peuvent être conçues pour orienter la lumière de manière spécifique. L'astuce consiste à manipuler les propriétés de l'espace électromagnétique dans lequel circule la lumière en contrôlant les valeurs de permittivité et de perméabilité de cet espace.

Ces dernières années, les physiciens se sont beaucoup amusés à utiliser des métamatériaux pour construire toutes sortes de dispositifs passionnants, les plus connus étant les capes d'invisibilité qui dirigent la lumière autour d'un objet, le dissimulant ainsi à la vue.

Mais les métamatériaux ont une application plus profonde car il existe une analogie formelle entre les mathématiques des espaces électromagnétiques et les mathématiques de la relativité générale et de l'espace-temps qu'elles décrivent.

Cela signifie qu'il est possible de reproduire à l'intérieur d'un métamatériau une copie exacte de plusieurs des caractéristiques de l'espace-temps. Nous avons examiné un certain nombre de ces idées, telles que la façon de construire un trou noir et même de créer un multivers.

Aujourd'hui, Igor Smolyaninov de l'Université du Maryland, College Park, dit qu'il est possible de recréer la flèche du temps à l'intérieur d'un métamatériau. Une telle expérience, dit-il, permet l'étude expérimentale de l'un des grands mystères les plus remarquables de la science : pourquoi la flèche cosmologique du temps est la même que la flèche thermodynamique du temps.

En même temps, l'exercice donne un curieux aperçu du potentiel du voyage dans le temps.

La flèche du temps est un casse-tête de longue date. De nombreux cosmologistes pensent que l'Univers a commencé avec le Big Bang, un événement qui fait clairement partie de notre passé.

Et pourtant, notre définition standard du temps vient de la thermodynamique et de l'observation que l'entropie augmente toujours avec le temps. Par exemple, vous pouvez facilement casser un œuf ou mélanger du lait dans votre thé, mais il est difficile d'inverser ces processus. L'observation de phénomènes comme ceux-ci définit la flèche du temps.

Mais pourquoi les flèches cosmologiques et thermodynamiques du temps devraient-elles pointer dans la même direction ?

Les métamatériaux peuvent aider les chercheurs à étudier ce problème car il est possible de les manipuler pour que les dimensions de type espace deviennent temporelles. Smolyaninov décrit comment créer un matériau dans lequel les directions x et y sont semblables à l'espace tandis que la direction z est semblable au temps.

La façon dont la lumière se déplace dans cet espace est exactement analogue au comportement d'une particule massive dans un espace-temps de Minkowski (2+1), qui est similaire à notre propre univers. Ainsi, le schéma de propagation de la lumière à l'intérieur de ce métamatériau est équivalent aux lignes d'univers d'une particule dans un univers de Minkowski.

Smolyaninov dit qu'un événement Big Bang dans le métamatériau se produit lorsque le motif des rayons lumineux s'étend par rapport à la dimension z, ou en d'autres termes, lorsque les lignes du monde s'étendent en fonction du temps. Ceci établit une flèche cosmologique du temps.

La question suivante est de savoir comment cette flèche se rapporte à une flèche thermodynamique du temps. Cela nécessite une définition de l'entropie à l'intérieur du métamatériau qui, selon Smolyaninov, est une sorte de mesure du désordre associé aux rayons lumineux.

Si les métamatériaux sont parfaits, les rayons devraient se propager parfaitement. Mais ils ne sont pas parfaits et déforment donc les rayons au fur et à mesure qu'ils se propagent. Cela détermine une flèche thermodynamique du temps et montre pourquoi c'est la même chose que la flèche cosmologique du temps.

Mais il y a un problème bien sûr. Bien qu'il existe une analogie mathématique formelle entre ces espaces, on ne sait pas du tout ce qui joue le rôle dans l'espace de Minkowski de la propagation imparfaite de la lumière à travers l'espace électromagnétique.

Dans le passé, les scientifiques ne pouvaient réfléchir à ces problèmes que théoriquement, mais les métamatériaux leur permettent désormais de les étudier expérimentalement.

Étonnamment, Smolynainov et un collègue, Yu-Ju Hung, ont en fait construit leur simulateur de temps. Leur système est fabriqué à l'aide de bandes de plastique de forme spéciale placées sur un substrat d'or. Et les rayons lumineux sont en fait des plasmons qui se propagent à la surface du métal tout en étant déformés par les bandes de plastique.

Cela représente un certain nombre de premières. Pour commencer, Smolyaninov utilise ce système pour recréer le Big Bang dans son laboratoire. Il appelle cela un jouet Big Bang, mais il est difficile de sous-estimer l'importance de cet événement. Un Big Bang dans votre propre labo !

Il utilise ensuite son modèle pour étudier les flèches du temps. Imaginez : votre propre flèche du temps sur mesure !

Ce système donne également un aperçu intéressant de la nature des machines à remonter le temps. La question que pose Smolyaninov est de savoir s'il est possible de créer des courbes temporelles fermées dans son matériau. Cela revient à se demander s'il est possible pour des particules dans un espace de Minkowski de se déplacer selon une courbe qui les ramène au point de l'espace-temps où elles ont commencé.

Il considère cela en imaginant un métamatériau cylindrique dans lequel la dimension z et la dimension radiale sont semblables à l'espace et la distance angulaire autour du cylindre est semblable au temps. Des courbes temporelles fermées peuvent-elles exister dans ce système, demande-t-il. À première vue, cette question est simple, et la réponse devrait être oui, dit-il.

Mais à y regarder de plus près, la réponse s'avère différente. Il souligne que s'il est possible pour les rayons lumineux de suivre des chemins circulaires qui retournent au point d'où ils ont commencé, ces rayons ne percevraient pas la dimension angulaire comme semblable au temps.

Par comparaison, tout rayon qui perçoit la dimension angulaire comme étant semblable au temps ne peut en fait revenir au même point dans l'espace-temps (bien qu'il puisse parcourir une ligne du monde très proche d'une courbe fermée semblable au temps). Ainsi, les machines à remonter le temps, même insignifiantes comme celle-ci, sont impossibles.

C'est un travail extrêmement impressionnant. Smolyaninov est l'un des principaux penseurs mondiaux sur les métamatériaux et a beaucoup fait pour faire avancer la théorie qui relie les espaces électromagnétiques et Minkowski.

Maintenant, il se salit les mains. En créant pour la première fois des métamatériaux qui reproduisent le Big Bang et les flèches du temps qui en résultent, il a sûrement atteint un point de repère extraordinaire.

Réf : arxiv.org/abs/1104.0561 : Modélisation du temps avec des métamatériaux

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