Zeit ist ja schon was seltsames. Selbst physikalisch gesehen haben wir nicht besonders viele Punkte, die den Charakter der Zeit so definieren, wie sie uns vorkommt: Naemlich mit einer klaren Fliessrichtung. Eigentlich gibt es da nur zwei Dinge: Das eine ist, dass unser Universum einst ein Punkt in Raum und Zeit war und sich von dort ausgedehnt hat. Das nennt man die ‘kosmologische Zeit’. Die zweite Art ist die ‘statistische Zeit’, die als die Richtung definiert ist, in der die Unordnung im Universum zunimmt.
Jetzt haben wir zwar allen Grund anzunehmen, dass einen Zusammenhang gibt zwischen den beiden, aber so richtig nachpruefen koennen wir das nicht: Schliesslich koennen wir nicht einfach die Zeit zurueckspulen und nachsehen, was am Anfang des Universums passiert ist.
Aber ein wenig lernen koennen wir, wenn wir ein analoges System betrachten, quasi etwas dass sich nach den gleichen Regeln verhaelt. Igor Somlyaninov und Yu-Ju Hung von der University of Maryland haben mit Metamaterialien ein analoges Modell gebaut, das in zwei Dimensionen ein Spielzeuguniversum darstellt. Laserlicht, dass sich aus der Mitte ausbreitet, bewegt sich in einer Richtung als ob es sich in der Zeit bewegen wuerde, und in der anderen wie in einer normalen Raumbewegung. Wie das geht, hoeren wir gleich noch, ich will erst kurz das Ergebnis besprechen.
In diesem System koennen wir uns vorstellen, dass die Bewegung in Zeitrichtung dem kosmologischen Zeitpfeil entspricht, also der Ausbreitung des Universums nach dem Urknall. Dann hatten die Forscher den klugen Einfall, sich die Unordnung entlang dieser Zeitrichtung anzusehen. Im Universum kommt die Unordnung durch die interagierenden Teilchen zustande. Im Modell koennen sich die Strahlen des Lasers gegenseitig beeinflussen, was vor allem durch kleine Ungenauigkeiten im Material verursacht wird. Man kann das Material in Sektoren austeilen und auszaehlen, wie hoch die Unordnung ist. Und siehe da, diese nimmt tatsaechlich mit wachsender Zeitrichtung mit. In diesem analogen Modell wenigstens korrespondieren also kosmologische und statistische Zeitrichtung.
Bleibt noch die Frage, welches seltsame Material eine Zeitdimension simulieren kann. Wie immer bei seltsamen Materialien handelt es sich auch hier wieder um einen Vertreter aus der schon fast liebgewonnenen Klasse der Metamaterialien.
Diese sind gar keine ‘glatten’ Materialien wie wir sie uns herkoemmlich vorstellen, es ist mehr so dass sie aus einiger Entfernung gesehen erst glatt werden, fast so wie ein Haufen Sandkoerner in einiger Entfernung zu einem braunen Boden wird. Die Sandkoerner sind in diesem Fall kleinste, speziell geformte Metallteile, die dann ‘global’ zu aussergewoehnlichen Eigenschaften fuehren.
In diesem Fall schafft man, dass die dielektrische Konstante, die eigentlich darueber Auskunft gibt, wie sehr ein Material das elektrische Feld verstaerkt oder daempft, in unterschiedlichen Richtungen gegenteiliges Vorzeichen fuehrt. Gibts eigentlich nicht, Metamaterialien machen es moeglich. Die Folge ist, dass die Wellengleichung fuer das Laserlicht sich in eine Form bringen laesst, die genau einer Bewegungsgleichung fuer massive Teilchen entspricht (der Klein-Gordon-Gleichung), daher das Analog zum ‘echten’ Universum und der Unordnung der Teilchen darin. Mehr noch, der dielektrische Faktor laesst sich auch noch mit der Entfernung von der Lichtquelle variieren, sodass das System endgueltig zum Analog des expandierenden Universums wird. Da man auf zwei Dimensionen beschraenkt ist, macht man sich ausserdem die Plasmonik als Lichttraeger zunutze.
Spannend ist uebrigens auch, dass man in diesem Modell keine Kreisbahnen, also ‘Zeitreisen’, zustande bringt. Das Paper kann man sich im arXiv ansehen.
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