Tolagsgrafen inspirerer to-universets kosmologiske model

Fysikere kommer nogle gange med skøre historier, der lyder som science fiction. Nogle viser sig at være sande, som hvordan krumningen af ​​rum og tid beskrevet af Einstein til sidst blev bekræftet af astronomiske målinger. Andre bliver ved som blotte muligheder eller matematiske kuriositeter.

I en ny artikel i Physical Review Research , JQI Fellow Victor Galitski og JQI kandidatstuderende Alireza Parhizkar har udforsket den fantasifulde mulighed for, at vores virkelighed kun er den ene halvdel af et par interagerende verdener. Deres matematiske model kan give et nyt perspektiv til at se på fundamentale træk ved virkeligheden - inklusive hvorfor vores univers udvider sig, som det gør, og hvordan det forholder sig til de mest minimale længder tilladt i kvantemekanikken. Disse emner er afgørende for at forstå vores univers og er en del af et af de store mysterier i moderne fysik.

Forskerparret faldt over dette nye perspektiv, da de undersøgte forskning i ark af grafen - enkelte atomlag af kulstof i et gentaget sekskantet mønster. De indså, at eksperimenter med de elektriske egenskaber af stablede plader af grafen gav resultater, der lignede små universer, og at det underliggende fænomen kunne generalisere til andre områder af fysikken. I stakke af grafen opstår ny elektrisk adfærd fra interaktioner mellem de individuelle ark, så måske kan unik fysik på samme måde opstå fra interagerende lag andre steder - måske i kosmologiske teorier om hele universet.

"Vi synes, det er en spændende og ambitiøs idé," siger Galitski, som også er Chesapeake Chair-professor i teoretisk fysik ved Institut for Fysik. "På en måde er det næsten mistænkeligt, at det fungerer så godt ved naturligt at 'forudsige' grundlæggende træk ved vores univers såsom inflation og Higgs-partiklen, som vi beskrev i et opfølgende fortryk."

Stablet grafens exceptionelle elektriske egenskaber og mulige forbindelse til vores virkelighed med en tvilling kommer fra den specielle fysik, der produceres af mønstre kaldet moiré-mønstre. Moiré-mønstre dannes, når to gentagne mønstre – alt fra atomernes sekskanter i grafenark til gitteret på vinduesskærme – overlapper hinanden, og et af lagene snoes, forskydes eller strækkes.

De mønstre, der dukker op, kan gentage sig over længder, der er enorme sammenlignet med de underliggende mønstre. I grafenstabler ændrer de nye mønstre den fysik, der udspiller sig i arkene, især elektronernes adfærd. I det specielle tilfælde kaldet "magic angle graphene" gentages moiré-mønsteret over en længde, der er omkring 52 gange længere end mønsterlængden af ​​de enkelte ark, og energiniveauet, der styrer elektronernes adfærd, falder brat, hvilket tillader ny adfærd , herunder superledning.

Galitski og Parhizkar indså, at fysikken i to ark grafen kunne genfortolkes som fysikken i to todimensionelle universer, hvor elektroner lejlighedsvis hopper mellem universer. Dette inspirerede parret til at generalisere matematikken til anvendelse på universer lavet af et vilkårligt antal dimensioner, inklusive vores egen firedimensionelle, og til at undersøge, om lignende fænomener som følge af moiré-mønstre kan dukke op i andre områder af fysikken. Dette startede en undersøgelseslinje, der bragte dem ansigt til ansigt med et af de største problemer inden for kosmologi.

"Vi diskuterede, om vi kan observere moiré-fysik, når to virkelige universer smelter sammen til ét," siger Parhizkar. "Hvad vil du kigge efter, når du stiller dette spørgsmål? Først skal du kende længdeskalaen for hvert univers."

En længdeskala - eller en skala med en fysisk værdi generelt - beskriver, hvilket niveau af nøjagtighed der er relevant for det, du kigger på. Hvis du tilnærmer dig størrelsen af ​​et atom, så betyder det en ti-milliarddel af en meter, men den skala er ubrugelig, hvis du måler en fodboldbane, fordi den er på en anden skala. Fysik teorier sætter grundlæggende begrænsninger på nogle af de mindste og største skalaer, der giver mening i vores ligninger.

Skalaen af ​​universet, der berørte Galitski og Parhizkar, kaldes Planck-længden, og den definerer den mindste længde, der er i overensstemmelse med kvantefysikken. Planck-længden er direkte relateret til en konstant – kaldet den kosmologiske konstant – der er inkluderet i Einsteins feltligninger for den generelle relativitetsteori. I ligningerne påvirker konstanten, om universet – uden for gravitationspåvirkninger – har tendens til at udvide sig eller trække sig sammen.

Denne konstant er fundamental for vores univers. Så for at bestemme dens værdi skal forskerne i teorien bare se på universet, måle flere detaljer, såsom hvor hurtigt galakser bevæger sig væk fra hinanden, sætte alt ind i ligningerne og beregne, hvad konstanten skal være.

Denne ligetil plan rammer et problem, fordi vores univers indeholder både relativistiske og kvanteeffekter. Effekten af ​​kvanteudsving på tværs af det store vakuum i rummet bør påvirke adfærd selv på kosmologiske skalaer. Men når videnskabsmænd forsøger at kombinere den relativistiske forståelse af universet givet os af Einstein med teorier om kvantevakuum, støder de ind i problemer.

Et af disse problemer er, at når forskere forsøger at bruge observationer til at tilnærme den kosmologiske konstant, er den værdi, de beregner, meget mindre, end de ville forvente baseret på andre dele af teorien. Endnu vigtigere er det, at værdien springer dramatisk rundt afhængigt af, hvor mange detaljer de inkluderer i tilnærmelsen i stedet for at finde en ensartet værdi. Denne vedvarende udfordring er kendt som det kosmologiske konstante problem, eller nogle gange "vakuumkatastrofen."

"Dette er den største - langt den største - inkonsistens mellem måling og hvad vi kan forudsige af teori," siger Parhizkar. "Det betyder, at der er noget galt."

Since moiré patterns can produce dramatic differences in scales, moiré effects seemed like a natural lens to view the problem through. Galitski and Parhizkar created a mathematical model (which they call moiré gravity) by taking two copies of Einstein's theory of how the universe changes over time and introducing extra terms in the math that let the two copies interact. Instead of looking at the scales of energy and length in graphene, they were looking at the cosmological constants and lengths in universes.

Galitski says that this idea arose spontaneously when they were working on a seemingly unrelated project that is funded by the John Templeton Foundation and is focused on studying hydrodynamic flows in graphene and other materials to simulate astrophysical phenomena.

Playing with their model, they showed that two interacting worlds with large cosmological constants could override the expected behavior from the individual cosmological constants. The interactions produce behaviors governed by a shared effective cosmological constant that is much smaller than the individual constants. The calculation for the effective cosmological constant circumvents the problem researchers have with the value of their approximations jumping around because over time the influences from the two universes in the model cancel each other out.

"We don't claim—ever—that this solves cosmological constant problem," Parhizkar says. "That's a very arrogant claim, to be honest. This is just a nice insight that if you have two universes with huge cosmological constants—like 120 orders of magnitude larger than what we observe—and if you combine them, there is still a chance that you can get a very small effective cosmological constant out of them."

In preliminary follow up work, Galitski and Parhizkar have started to build upon this new perspective by diving into a more detailed model of a pair of interacting worlds—that they dub "bi-worlds." Each of these worlds is a complete world on its own by our normal standards, and each is filled with matching sets of all matter and fields. Since the math allowed it, they also included fields that simultaneously lived in both worlds, which they dubbed "amphibian fields."

The new model produced additional results the researchers find intriguing. As they put together the math, they found that part of the model looked like important fields that are part of reality. The more detailed model still suggests that two worlds could explain a small cosmological constant and provides details about how such a bi-world might imprint a distinct signature on the cosmic background radiation—the light that lingers from the earliest times in the universe.

This signature could possibly be seen—or definitively not be seen—in real world measurements. So future experiments could determine if this unique perspective inspired by graphene deserves more attention or is merely an interesting novelty in the physicists' toy bin.

"We haven't explored all the effects—that's a hard thing to do, but the theory is falsifiable experimentally, which is a good thing," Parhizkar says. "If it's not falsified, then it's very interesting because it solves the cosmological constant problem while describing many other important parts of physics. I personally don't have my hopes up for that— I think it is actually too big to be true." + Udforsk yderligere

Centenary of cosmological constant lambda