הארי פוטר בונה חורי תולעת ומולטי יקומים ממטא-חומרים

מטא-חומרים: גלימות העלמות נוסח הארי פוטר

לאחרונה מדענים עובדים על חומרים שהם מעין גלימות היעלמות נוסח הארי פוטר. המטא-חומרים הם חומרים המסתירים עצמים באמצעים אופטיים. “מטא” מלשון מֵעבר לחומרים הרגילים שאנו מכירים מחיי היומיום. ובמקרה שלנו, חומרים שהמבנה הפנימי המורכב שלהם יכול לנווט את האור מסביב לגופים, ובכך להסוותם מעינינו.
המטא-חומרים הם חומרים מהונדסים שמקבלים את תכונותיהם הבלתי רגילות כתוצאה משינוי הנדסי של המבנה הפנימי שלהם ברמה זעירה, ולא מהכימיה שלהם – כפי שזה בטבע. בגלל הדרך שבה מרכיבים חומרים אלה, הם יכולים לערבל גלים – בין אם אלה הם גלי אור, גלי מים או גלי קול באזור העצם שאותו הם מסווים.
כדי להסוות משהו ניתן, למשל, למקם טבעות של מטא-חומר סביב לעצם שאותו אנו רוצים להסוות. לולאות או גלילים זעירים ביותר בתוך הטבעות האלה מסיטים את הגלים שמסביב לעצם, וכך מסווים אותו. ההסטה מונעת גם את ההחזרה וגם את הבליעה של הגלים, הנפגשים שוב פעם בצד השני ויוצרים אשליה כאילו דבר לא היה שם.

 

 

 

רכיב העלמות גורם לקרן האור לעקוף את הגוף כאילו הוא לא קיים.

 

 

התרשים מראה כיצד מטא-חומרים מסיטים קרינה אלקטרומגנטית סביב לטבעת.

 

 

זהו מטא-חומר שממנו בנוי חומר מסתיר ומעלים גופים. המטא-חומר מורכב מגדלים ברמה הננומטרית. המטא-חומר שכאן מורכב משכבות של כסף ברוחב של 30 ננומטר ושכבות של מגנזיום פלוריד ברוחב 50 ננומטר. החומרים יוצרים מנסרה אופטית, שהיא זו שיוצרת את הרכיב בעל האפקט המעלים והבלתי נראה. התצלומים מכאן.

 

המטא-חומרים הם לא קמופלאג’ אופטי כמו זה המפותח במעבדת Tachi המפורסמת ביפן… (קראו כן)

 

 

אנלוגיה מכנית אופטית בעולם היחסותי של אינשטיין

תוך שהם משתעשעים במטא-חומרים, מהר מאוד החוקרים הבינו שהתחום יכול לשפוך אור על יסודות הפיסיקה עצמה. תורת היחסות הכללית של אינשטיין מתארת כיצד הכבידה סביב גוף בעל מסה גדולה, כמו למשל כוכב, יכולה לעקם את המרחב-זמן. מדובר בתופעות כמו למשל התעקמות קרן האור בסביבות דסקת השמש, הזזות הפריהליון של מסלולו של מרקורי ותופעות כמו עדשות כבידה.

החלו באים מדענים והציעו שניתן לחקור אפקטים של היחסות הכללית בניסויי מעבדה כאן על כדור הארץ, וכל זאת כמובן אם נשתמש במטא-חומרים, אותם חומרים מוזרים שמאפשרים להעלים עצמים וקרני אור ולהופכם כאילו הם לא קיימים. בתחילה בנו מודלים לחורים שחורים, שכן אלה מעלימים גופים ולכן הם נקראים שחורים…

פיסיקאים הבינו שניתן לחקור את האינטראקציות של האור והחומר עם המרחב-זמן, כפי שמנובא על ידי היחסות הכללית, בעזרת סוג החומרים האופטיים המלאכותיים החדשים, שלהם יכולות בלתי רגילות לעקם את האור ולעקם גם צורות אחרות של קרינה אלקטרומגנטית. השקילות הזו בין עקמומיות המרחב-זמן והתפשטות האור במטא-חומרים אופטיים שהם מהונדסים במעבדה נקראת בשם: “אנלוגיה מכנית-אופטית”.

 

מכאן נעלם לנו הגוף…

  

חור תולעת אלקטרומגנטי

לאחר החורים השחורים בא תורם של חורי התולעת. אם ניתן לבנות אנלוגיה מכנית-אופטית לחורים השחורים, מדוע שלא נבנה מודל כזה לחורי תולעת? מודל לחורי תולעת ממטא-חומרים מאפשר את ההתפשטות של גלים אלקטרומגנטיים בין שתי נקודות מרוחקות. זאת בעוד שמרבית אזור ההתפשטות שלהם – התעלה –  נותר בלתי נראה ומוסתר על ידי גלימת העלמות של המטא-חומר. בתדירות הבלתי מוסתרת, שבה המטא-חומר אינו פועל, המבנה שמתקבל הוא גליל מוצק בעל קצוות מתרחבים. אבל בתדירויות שבהן מתוכנן ופועל המטא-חומר כגלימת העלמות, מקבלים את האפקט של שינוי הטופולוגיה של המרחב לחור תולעת. לפיכך, החוקרים בנו קונפיגורציה של מטא-חומרים שגורמת לגלים להתנהג כאילו היו בתעלה בלתי נראית שמחוברת למרחב אוקלידי. כל גוף בתוך התעלה הזו נראה רק על ידי גלים שנכנסים מאחד מקצותיו. ואילו גלים אלקטרומגנטיים שמתפשטים מגוף בתוך חור התולעת יכולים רק לעזוב דרך הקצוות – כי הם בלתי נראים לצופה מבחוץ. דיפול מגנטי, שממוקם ליד אחד מקצותיו של חור התולעת האלקטרומגנטי, יראה לצופה מבחוץ כמונופול מגנטי. לחור תולעת אלקטרומגנטי יכולות להיות שימושים הנדסיים למשל תעלות אופטיות בלתי נראות, ניתן יהיה למדוד שדות אלקטרומגנטיים מבלי להפריע להם, אלה הם תעלות שלא מקרינות קרינה מלבד מקצותיהן.   

אם נתקדם הלאה עם האנלוגיה האופטית-מכנית, ניתן להשתמש במטא-חומרים כדי לחקור תופעות קוסמולוגיות נוספות.

הארי פוטר נוסע ליקום מולטי-ממדי

לפני כמה ימים, איגור סמוליאנינוב מהמחלקה להנדסה כימית וחשמל מאוניברסיטת מרילנד בקולג’ פארק מתח את האנלוגיה המכנית-אופטית עד לקצה. הוא פרסם מאמר בו הוא מציע לדבריו “מודל צעצוע” ליקום מולטי-ממדי. קחו את החלל האופטי, אומר סמוליאנינוב, תהנדסו אותו כך שיחקה את הנוף של יקום מולטי-ממדי, שלו אזורים בעלי טופולוגיה שונה וממדים אפקטיביים שונים. הנוף מהמטא-חומר והאופטיקה הלא-ליניארית של המטא-חומרים, הוא מוסיף, יובילו למודל הצעצוע.

 

 

מולטי-יקום ממטא-חומרים

סמוליאנינוב מדגים מתמטית כיצד ניתן ליצור מודל ממטא-חומרים למרחבים שונים ביקום. הוא בוחן תיאוריות לפיהן החלל הוא בעל ממדים שונים שנהפכו למצופפים מוקדם מאוד בתולדות היקום. זה הותיר רק את שלושת ממדי החלל של היקום פלוס ממד הזמן שאותם אנו רואים היום. סמוליאנינוב מראה שניתן ליצור מטא-חומרים בעלי חללים אלקטרומגנטיים, שבהם כמה ממדים מצופפים. הוא מדגים מתמטית – על ידי השוואת הנוסחאות הקוסמולוגיות לאלה האופטיות של המטא-חומרים –  שניתן אפילו ליצור חומרים שבהם החללים משתנים מאזור לאזור, כך שחלל בעל שני ממדים רגילים ושניים מצופפים יכול להיות בסמוך לחלל עם שני ממדים רגילים וגם מחובר לחלל עם שני ממדים וממד מצופף אחד וכן הלאה. ומה לגבי המעבר בין החללים האלה? כאן נכנסים חורי התולעת. כזכור המטא-חומרים היוו מודל לחורי התולעת. המעבר יכול לייצג הולדת יקום חדש ומעבר טופולוגי דומה יתכן שגרם להולדת היקום שלנו, אומר סמוליאנינוב.

הוא ממשיך להראות שניתן להשתמש במטא-חומרים כדי ליצור מולטי-יקום שבו יקומים שונים בעלי תכונות שונות. למעשה אמורים להיות מסוגלים ליצור ייקומים שבהם פועלים חוקי פיסיקה שונים.

למה כל זה טוב מעבר ליצירת מודל קוסמולוגי ארצי לתיאוריות של הקוסמולוגים? כי מבחינה הנדסית המודל פותח צוער לתחום של רכיבים אופטיים חדשים “ביקום אלקטרומגנטי”, שבו הפוטונים מתנהגים כאילו הם מסיביים, חסרי מסה או טעונים – כל זאת תלוי בטופולוגיה של החלל ובחוקי הפיסיקה של החלל. מכאן ניתן לפתח רכיבים אופטיים שעושים שימוש בסוג התנהגות כזה, על בסיס האנלוגיה המכנית אופטית.

 

 

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s