小盒中的宇宙大爆炸

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（文/Lisa Grossman）马里兰大学的实验台上放置着有史以来第一台大爆炸桌面模型。
别害怕，这台20微米宽的设备不会爆炸，它只是模拟了宇宙爆炸时的时光特性和时间流向。也许有一天它可以解释时间为什么只朝一个方向流逝。
9 `- s  F1 t9 M“我们应用简单的实验模型重现了时空扩展的方式。”伊戈尔?斯莫利亚尼诺夫说。他的论文描述了此模型的原理并发表在《物理评论快报》上。
斯莫利亚尼诺夫和于菊红都是马里兰大学的电气工程师，他们使用被称为“超材料”的非自然物质完成大爆炸仿真，原理是交替使用不同的材料以特殊方式扭曲光线。
研究人员们曾建议应用犹如隐身斗篷的超材料弯曲物体周围光线，把物体表象转化，以求建立完美的透镜。就在几年之前，物理学家发现超材料也可以模拟天文现象：行星围绕恒星运转，光被黑洞捕捉等。
实验室中建立出的“玩具宇宙”使从前不可能的时空特性实验成为可能。根据斯莫利亚尼诺夫和红的装置，物理学的旷世难题——热力学时间之箭终于能够通过实验来研究了。
: R5 i; X- a1 R+ O' a6 p) x无论时间向前或向后，大部分物理学定律仍然适用，但热力学第二定律却会失效。这决定了无序度一定会随时间增加。所以人不能变年轻，鸡蛋不能破蛋重圆，土拨鼠日也只是个美丽的故事。
另一个例外是“宇宙时间之箭”，它自大爆炸开始就指向宇宙膨胀的方向。这个箭头可以与热力学箭头相统一，指向宇宙热寂，但是如果某天宇宙在大挤压中塌缩，它的方向也会翻转。
“虽然人们普遍认为统计学和宇宙的时间之箭相关联，但我们却不能重现大爆炸并在实验中证明此关系。”研究者写道。但通过实验台上的超材料大爆炸，一切将变为现实。
为了创造桌面大爆炸模型，研究者们放置了腈纶和黄金条。激光射在黄金表面会激发自由电子形成波动，这些波被称为等离子体激元。它们穿过超材料平坦表面的数学描述和大规模粒子穿过平坦的闵可夫斯基空间（包含了空间和时间维度）的数学描述相同。
; v0 N$ }4 S+ q. {: S% m3 P0 d因此，穿过超材料大爆炸的光路代表了时空中粒子的轨迹，物理学家称之为“世界线”。当研究者使用绿色激光照亮超材料，他们发现从一个点中扩散出了三角形等离子体激元，“玩具大爆炸”追随了宇宙膨胀的世界线规律。
) M) W! n( ^& c/ N  W. a, f) T因为超材料有缺陷，光线在传播时会相互扭曲和影响。这形成了天然的熵模型，代表了热力学时间之箭，斯莫利亚尼诺夫说。世界线形成了宇宙之箭模型，在超材料中，两者都超同一方向流逝。
8 X& E7 E3 K: R2 k; ?2 l“它是非常给力和有趣的时间模型。” 斯莫利亚尼诺夫说。
研究者们也考虑过它们的模型是否允许时间旅行。首先，斯莫利亚尼诺夫认为这很容易实现，如果你建立的超材料中光沿圆周移动，并在数学上和粒子穿梭时间方式一致，那么在圆周轨道上释放等离子体激元，它会回到与出发时相同的类时点。
2 N* {& l% P; U1 D# d. w但事实却很复杂。只有特定波长和偏振的光适用于斯莫利亚尼诺夫的时空模型。对于在时间中穿梭的光子来说，圆形轨道是无法实现的。
“时间旅行无法在此模型中实现。” 斯莫利亚尼诺夫说。
& u2 T0 r- z/ h4 @; ~; y# `西北大学的机械工程师孙成不认为等离子体激元路径和宇宙膨胀的类比完全成立。
9 G0 g/ S1 w1 F' S# ^: e% h“他尝试建立联系，这是审视此问题的好方法。”孙说，“但从光学角度分析，我对此联系持保留意见……我不确定它能在多大程度上帮助我们理解这个物理过程。”
斯莫利亚尼诺夫知道此模型有限制。“它永远不可能给出真实大爆炸的终极答案。”他说，“但如果你加以研究，会得到一些发现，并提出更加明智的问题。”

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科技名博微博
博主介绍：Lisa Grossman 2009年毕业于加州大学Santa Cruz分校，科技交流专业。毕业后，她一直从事科技写作工作，从硕士期间便在Science News等地方做编辑，现在在Wired上开博。她的博客内容涉及面相当广，涵盖各个学科。

寒江一笠

这种类比模型的理论基础是神马？是不是指描述这些物理过程的方程的数学形式看起来相似……？