Un metamaterial para observar qué ocurre cuando cambia la geometría del espaciotiempo.

Según algunos teóricos, en el momento del Big Bang, nuestro universo puede que no tuviese exactamente tres dimensiones espaciales y una temporal. Igor Smylianinov, de la Universidad de Maryland (EE.UU.), y Evgenii Narimanov, de la Universidad Purdue (EE.UU.), proponen en Physical Review Letters una forma de observar la transición hacia nuestro universo usando los llamados metamateriales, estructuras en las que la propagación de la luz puede ser controlada de forma precisa. Según estos autores, los experimentos en estas estructuras podrían confirmar las predicciones de que un gran flash de radiación acompañaría a los cambios en la estructura del espaciotiempo que podrían haber tenido lugar en el universo primitivo.

A lo largo de la última década se ha profundizado en el conocimiento de los materiales en los que se pueden manipular las propiedades eléctricas y magnéticas a nivel microscópico. Este conocimiento ha llevado a poder hablar por ejemplo de que, en un futuro no demasiado lejano, podrán construirse dispositivos como lentes perfectas o capas de invisibilidad. Algunos resultados se han obtenido ya en esta dirección experimentalmente usando metamateriales, pequeños cables, anillos y otras estructuras que son del orden de magnitud de la longitud de onda de la luz.

Según Smolyaninov y Narimanov estos materiales adaptados podrían usarse para explorar geometrías no habituales del espaciotiempo. Usualmente cuando una onda luminosa atraviesa un material, si la longitud de onda se acorta, su frecuencia aumenta, y esto en todas direcciones igualmente. Pero estos autores describen un metamaterial en el que la relación entre frecuencia y variaciones espaciales de los campos electromagnéticos es muy anisotrópica, es decir, varía mucho con la dirección que se considere. Para algunas configuraciones de campos, se podría incrementar la longitud de onda efectiva en una dirección concreta y la frecuencia global seguiría disminuyendo.

En este artículo los autores afirman demostrar que esta, así la llaman, relación hiperbólica entre las variaciones espaciales y temporales de las ondas electromagnéticas es exactamente la misma que se obtendría en un espaciotiempo que tuviese dos dimensiones temporales y dos espaciales. Una propiedad de esta geometría sería que, para una frecuencia dada, existe un número infinito de modos del campo electromagnético, mientras que en el espaciotiempo “normal” podría haber muchos, pero no un número infinito.

Los investigadores advierten de que estos materiales no permitirían cosas “raras” como máquinas del tiempo (una posibilidad teórica si tienes dos dimensiones temporales), porque las frecuencias a las que tiene lugar el fenómeno son muy limitadas y se ve impedido por las pérdidas de energía, que no se consideran en la teoría. Pero la manipulación de estos materiales sí podría permitir a los experimentadores observar qué ocurre cuando la geometría del espaciotiempo cambia sustancialmente. Por ejemplo, si las muchas dimensiones extras de la teoría de cuerdas se hubiesen “enrollado” repentinamente en el universo primitivo, dejando sólo tres dimensiones espaciales, algunos teóricos afirman que se habría producido un gran flash de radiación, de alguna forma similar al Big Bang. Este flash habría ocurrido porque toda la energía de los infinitos modos en el espaciotiempo de mayores dimensiones se habría liberado de repente.

Smolyaninov y Narimanov proponen construir una estructura que incluya capas de finos cables de galio, que se hace más conductor cuando se funde un poco por encima de la temperatura ambiente. Según sus cálculos, la fusión cambiaría el metamaterial de normal a hiperbólico, por lo que se podría observar un gran flash mientras se enfría.

Referencia:

Smolyaninov, I., & Narimanov, E. (2010). Metric Signature Transitions in Optical Metamaterials Physical Review Letters, 105 (6) DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.067402