科学家盒子中重现宇宙大爆炸

在美国马里兰大学的工作台上，静静地摆放着一个独特的装置——首个大爆炸台式模型。它虽然名为“大爆炸”模型，但其实并不模拟宇宙大爆炸本身，而是通过仅有20微米的装置模拟在大爆炸中时间和光的行为。这一奇妙的模型由物理学家伊戈尔·斯莫利亚尼诺在提交给《物理评论快报》的论文中详细阐述。他和同事余菊红，都是马里兰大学的电气工程师。他们利用一种被称为异向介质的外来物质完成了这一模型的制作。这种异向介质通过使用不同的材料交替片来扭曲光线，其特性宛如隐形斗篷，能够弯曲物体周围的光，实现伪装效果，甚至建立一个完美的透镜。

数年前，物理学家们已经认识到异向介质的潜力远不止于此。他们发现这种材料还可以模拟天文现象，如行星绕恒星运行，光线被黑洞捕获等。现在，在实验室里建设一个像玩具一样的宇宙，帮助物理学家们在空间和时间中运行本来不可能完成的实验。借助斯莫利亚尼诺的装置，研究人员得以物理学中长期存在的问题——时间中的热力学箭头问题。

时间中的热力学箭头是指时间只会向前流逝而不会倒流的现象，这是大多数物理定律都适用的例外之一。另一个例外是“时间的宇宙箭头”，它指向宇宙膨胀的方向，可能与热力学箭头相连，指向宇宙最终的热寂。如果宇宙在“大坍缩”中崩溃，这个箭头的方向可能会逆转。尽管人们普遍认为统计和宇宙学的时间箭头有关联，但我们无法在现实中重演宇宙大爆炸也无法证明这种关系。通过使用异向介质制作的大爆炸模型，这一验证就可以进行。

为了创建这个台式大爆炸模型，研究人员使用丙烯酸和黄金制作了异向介质。当激光打在黄金上激发出等离子时，等离子的行为方式与大规模粒子在闵可夫斯基空间的平面路径中的行为方式相似。在这里面包含了空间和时间的维度。在这个模型中，光的路径代表了一个粒子在空间和时间中的存在状态，这就是物理学家所说的“世界线”。当研究人员用绿色激光照射异向介质时，他们看到了一个单粒子扩展成等离子体三角的景象。“玩具大爆炸模型”所展现的“世界线”具有深远的宇宙意义。由于异向介质并不完美，光线在传播过程中会发生相互作用并扭曲。这也成为了斯莫利亚尼诺所说的熵的粗糙模型，代表着时间的热力学箭头；而“世界线”则代表着宇宙箭头的模型。在这个异向介质模型中，这两个箭头指向同一个方向。