Таиться ли изначальный метаматериал в реликтовом излучении?
(Is there a primordial metamaterial lurking in the CMB?)

Ученый в США, утверждает, что вакуум должен вести себя как метаматериал в сильных магнитных полях. Такие магнитные поля , вероятно, присутствовали в ранней Вселенной, и поэтому он предполагает, что это предсказание возможно проверить, наблюдая реликтовое излучение (CMB), излучения от- реликтовой, ранней Вселенной, которое можно наблюдать сегодня.

Один из странных прогнозов на 2011 год по физике был предложен Максимом Чернодубом (Maxim Chernodub) из французского Национального центра научных исследований: в невероятно сильных магнитных полях, сверхпроводящее состояния может возникать из вакуума. Это было особенно интересно, потому что одна из главных трудностей, стоящей перед учеными, работающими в традиционной сверхпроводимости является предотвращение исчезновения сверхпроводящего состояния в присутствии даже умеренных магнитных полей.

Суп из кварков и антикварков

В апреле Чернодуб утверждал, что очень сильное магнитное поле должно производить сверхпроводящий вакуум вдоль оси поля - с вакуумом сохраняющим изоляционность в направлениях, перпендикулярных полю. Это предсказание было основано на квантовой хромодинамике (КХД), которая описывает взаимодействие кварков и глюонов. КХД трактует вакуум не как пустое пространство, а как кипящий суп виртуальных кварков и антикварков постоянно появляющихся и исчезающих. Верхний кварк может объединиться с нижним антикварком и произвести ро-мезон.

Эти ро-мезоны, как правило, настолько неустойчивы, что исчезают почти мгновенно, но Чернодуб подсчитал, что, при индукции магнитного поля превышающей 1016 Тл, мезоны станут безмассовыми и, следовательно, стабильными. Это, по его прогнозам, приведет к сверхпроводящему состоянию. Тем не менее, было бы невозможно проверить это в лаборатории сегодня потому, что ученые на Земле имеют реальные проблемы с созданием магнитных полей более 100 Тл.

Теперь Игорь Смолянинов (Igor Smolyaninov) из Университета штата Мэриленд опираясь на работу Чернодуба, показал, что параллельные линии магнитного поля в вакууме организованы в форме треугольной решетки в плоскости, перпендикулярной полю - так же, как решетки Абрикосова в сверхпроводнике. Вакуум вблизи каждой силовой линии будет сверхпроводником, в то время как область между силовыми линиями будет изолятором.

Причудливые свойства

Эта конфигурация очень похожа на некоторые созданные человеком метаматериалы, которые сделаны из решеткок, содержащих области и проводящих, и изоляционных материалов. Смолянинов показал, что такая, индуцированная магнитным полем решетка будет функционировать в качестве гиперболического метаматериала. Такие метаматериалы обладают странными и противоречивыми оптическими свойствами, имеющие отрицательный показатель преломления и были использованы для создания суперлинз, способных разрешить объекты меньшие дифракционного предела, установленного на нормальные линзы.

Хотя физики и не имеют доступа к магнитным полям достаточной силы, чтобы проверить теорию Смолянинова, магнитное поле во Вселенной в первые доли секунды после Большого взрыва, возможно, было достаточно сильным, чтобы привести вакуум в сверхпроводящее состояние по Чернодубу. Вселенная в целом может, следовательно, вела себя как гигантская суперлинза из метаматериала, рассуждает Смолянинов. Он все же делает определенные, проверяемые предсказания и полагает, что должна быть возможность проверить идею метаматериала - и, в конце концов, саму идею сверхпроводящего вакуума - путем поиска следов этого эффекта линзирования в современной структуре Вселенной и, в частности в реликтовом излучении.

«Прямо перед моим носом»

Чернодуб впечатлен и объясняет, что, продолжая работать над вакуумной сверхпроводимостью, он также думал о метаматериалах в физике высоких энергий, даже не соединяя два этих понятия. «И вот Смолянинов приходит и говорит: Эй, вы знаете, а ведь ваш сверхпроводник является идеальным метаматериалом,- смеется он». «Это было, как если бы я искал монету, и он указал мне на нее прямо перед моим носом». Он ставит под сомнение, однако, были ли горячие и плотные условия в очень ранней Вселенной, возможно, были так далеко от нулевой температуры и давления, в модели, используемой в статье Смолянинова - и его собственной - что сверхпроводимость, и, следовательно, линзирование метаматериалом было невозможно.

Космолог Эндрю Яффе (Andrew Jaffe) из Имперского колледжа Лондона также скептически относится к потенциальной проверке идеи, используя данные из ранней Вселенной. «Я думаю, что есть один главный камень преткновения в том, что многие из идей для генерации очень сильных магнитных полей, рассматривают Вселенную, когда она была еще мала по сравнению с радиусом ро-мезона. Следовательно, я не уверен, что расчеты Смолянинова могут применяться. К тому времени как они применяются, я подозреваю, величина поля была бы уже слишком малой, чтобы создать эффект поляризации вакуума».

Исследование описано в журнале Physical Review Letters .

Об авторе

Тим Воган (Tim Wogan), Великобритания.

Перевод: Олег Кириллов