Metamateriais vão testar mudanças na estrutura do espaço-tempo

Don Monroe - Physical Review Focus - 25/08/2010

Big Flash, um irmão mais novo do Big Bang. Experimentos de laboratório usando materiais sintéticos com propriedades eletromagnéticas incomuns poderão ser capazes de testar essa explosão de radiação que teria mudado a estrutura do espaçotempo nos primórdios do nosso Universo.
[Imagem: Getty Images]

Big Flash

No momento do Big Bang, segundo alguns teóricos, nosso universo pode não ter tido exatamente três dimensões do espaço e uma dimensão do tempo.

Em um artigo publicado no último exemplar da Physical Review Letters, uma equipe propõe uma maneira de observar justamente essa transição para o nosso universo atual, com as dimensões que estamos acostumados.

O experimento, segundo eles, pode ser feito usando os chamados metamateriais, estruturas nas quais a propagação da luz pode ser controlada com precisão.

Experimentos com tais estruturas, dizem eles, poderiam testar as previsões de que um "Big Flash" de radiação, uma espécie de "irmão" do Big Bang, que teria acompanhado as mudanças na estrutura do espaço-tempo que podem ter ocorrido no início do universo.

Geometrias do espaço-tempo

Durante a última década, os teóricos descobriram que a ajuste das propriedades elétricas e magnéticas dos materiais em nível microscópico permite manipular a luz de modos surpreendentes, potencialmente permitindo a construção de dispositivos como lentes perfeitas e mantos da invisibilidade.

Os experimentalistas começaram a confirmar essas ideias usando metamateriais - grandes conjuntos de minúsculos fios, anéis e outras estruturas menores do que o comprimento de onda da luz que interage com eles.

A novidade é que esses materiais sintéticos também podem ser usados para explorar geometrias incomuns do espaço-tempo. É o que garantem Igor Smolyaninov, da Universidade de Maryland, e Evgenii Narimanov, da Universidade Purdue, ambas nos Estados Unidos.

Normalmente, para uma onda de luz que atravessa um material, seu comprimento de onda fica mais curto conforme a sua frequência aumenta, e isso se aplica igualmente em todas as direções.

Mas Smolyaninov e Narimanov idealizaram um metamaterial no qual a relação entre a frequência e as variações espaciais dos campos eletromagnéticos é altamente anisotrópica. Para algumas configurações dos campos, torna-se possível aumentar o comprimento de onda efetivo em uma direção específica, e ainda assim a frequência total vai diminuir.

Teoria das cordas e máquinas do tempo

Os cientistas demonstraram que essa chamada relação hiperbólica entre as variações espacial e temporal das ondas eletromagnéticas é exatamente aquela que existiria em um espaço-tempo que tivesse duas dimensões de tempo e duas dimensões de espaço.

Uma das propriedades dessa geometria é que, para uma dada frequência, há um número infinito de arranjos eletromagnéticos, ou modos, enquanto no espaço-tempo normal pode haver muitos modos, mas não infinitos modos.

Smolyaninov assegura que essa manipulação de geometrias do espaço-tempo não vai permitir coisas mais estranhas, como Viagem no tempo derrota a Mecânica Quântica">máquinas do tempo - uma possibilidade teórica com duas dimensões temporais - porque o comportamento ocorre apenas em uma faixa limitada de frequências e é desfeito por perdas de energia que são negligenciadas na teoria.

Ainda assim, a manipulação do material poderá permitir que os experimentalistas vejam o que acontece quando a geometria do espaço-tempo muda drasticamente.

Por exemplo, se as múltiplas dimensões extras previstas pela teoria das cordas repentinamente se "enrolassem" no universo primordial, deixando apenas três dimensões do espaço, alguns teóricos preveem que teria sido produzido um "Big Flash" de radiação, algo similar ao Big Bang.

O flash teria ocorrido porque qualquer energia na infinidade de modos no espaço-tempo de múltiplas dimensões seria liberada repentinamente.

Folhas de gálio

Smolyaninov e Narimanov propõem a construção de um metamaterial que inclua folhas tecidas com fios finos de gálio, que se torna mais condutivo quando se funde pouco acima da temperatura ambiente.

Eles calculam que a fusão irá alterar o metamaterial de normal para hiperbólico, de forma que os experimentalistas poderão visualizar o grande flash quando o material esfriar. "Com os metamateriais, você pode modelar essa transição experimentalmente," diz Smolyaninov.

Ulf Leonhardt, da Universidade de St. Andrews, na Escócia, afirma que os modelos de laboratório podem dar muitas informações sobre fenômenos que não podem ser experimentados diretamente e, portanto, sobre os quais se tem apenas uma intuição limitada.

"Se esses sistemas puderem ser construídos em laboratório, e se eles mostrarem esse efeito, então a controvérsia poderá ser resolvida." O sistema proposto "parece interessante e prático," diz ele. "Mas o diabo está sempre nos detalhes."

Outras pesquisas

Se todas essas propostas parecem estranhas demais para se tornarem realidade, é bom dar uma olhada no currículo recente dos pesquisadores envolvidos.

Smolyaninov participou dos estudos que resultaram em um arco-íris aprisionado em uma armadilha de espelhos e na criação da primeira camuflagem que tornou um objeto realmente invisível.

Narimanov participou da criação de um material artificial mais preto do que o preto e de uma técnica de criptografia que esconde a própria mensagem.

Leonhardt, por sua vez, que aqui apenas comentou a proposta dos outros dois, ajudou a criar o microscópio óptico 3D e demonstrou a possibilidade da levitação quântica em nanoescala. Foi também ele que descobriu a possibilidade de fabricação de uma lente perfeita, idealizada em 1850.

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