Natuurkundigen komen soms met gekke verhalen die klinken als sciencefiction. Sommige blijken waar te zijn, zoals hoe de door Einstein beschreven kromming van ruimte en tijd uiteindelijk werd bevestigd door astronomische metingen. Anderen blijven hangen als louter mogelijkheden of wiskundige curiositeiten.

In een nieuw artikel in Physical Review Research , hebben JQI-collega Victor Galitski en JQI-afgestudeerde student Alireza Parhizkar de fantasierijke mogelijkheid onderzocht dat onze realiteit slechts de helft is van een paar op elkaar inwerkende werelden. Hun wiskundige model kan een nieuw perspectief bieden om naar fundamentele kenmerken van de werkelijkheid te kijken - inclusief waarom ons universum uitdijt zoals het doet en hoe dat zich verhoudt tot de meest minuscule lengtes die zijn toegestaan ​​in de kwantummechanica. Deze onderwerpen zijn cruciaal voor het begrijpen van ons universum en maken deel uit van een van de grote mysteries van de moderne natuurkunde.

Het tweetal wetenschappers stuitte op dit nieuwe perspectief toen ze onderzoek deden naar vellen grafeen - enkele atomaire koolstoflagen in een herhalend hexagonaal patroon. Ze realiseerden zich dat experimenten met de elektrische eigenschappen van gestapelde vellen grafeen resultaten opleverden die eruitzagen als kleine universums en dat het onderliggende fenomeen zou kunnen generaliseren naar andere gebieden van de natuurkunde. In stapels grafeen ontstaat nieuw elektrisch gedrag door interacties tussen de afzonderlijke platen, dus misschien kan unieke fysica op dezelfde manier ontstaan ​​uit op elkaar inwerkende lagen elders - misschien in kosmologische theorieën over het hele universum.

"We denken dat dit een opwindend en ambitieus idee is", zegt Galitski, die ook een Chesapeake Chair Professor of Theoretical Physics is in het Department of Physics. "In zekere zin is het bijna verdacht dat het zo goed werkt door op natuurlijke wijze fundamentele kenmerken van ons universum te 'voorspellen', zoals inflatie en het Higgs-deeltje, zoals we beschreven in een vervolgpreprint."

De uitzonderlijke elektrische eigenschappen van gestapeld grafeen en het mogelijke verband met onze realiteit met een tweeling komt voort uit de speciale fysica die wordt geproduceerd door patronen die moiré-patronen worden genoemd. Moiré-patronen ontstaan ​​wanneer twee zich herhalende patronen - van de zeshoeken van atomen in grafeenvellen tot de rasters van raamschermen - elkaar overlappen en een van de lagen wordt gedraaid, verschoven of uitgerekt.

De patronen die naar voren komen, kunnen zich herhalen over lengtes die enorm zijn in vergelijking met de onderliggende patronen. In grafeenstapels veranderen de nieuwe patronen de fysica die zich in de vellen afspeelt, met name het gedrag van de elektronen. In het speciale geval dat 'magische hoek grafeen' wordt genoemd, herhaalt het moiré-patroon zich over een lengte die ongeveer 52 keer langer is dan de patroonlengte van de afzonderlijke vellen, en het energieniveau dat het gedrag van de elektronen regelt, daalt abrupt, waardoor nieuw gedrag mogelijk is , inclusief supergeleiding.

Galitski en Parhizkar realiseerden zich dat de fysica in twee vellen grafeen geherinterpreteerd kan worden als de fysica van twee tweedimensionale universums waar elektronen af ​​en toe tussen universums springen. Dit inspireerde het paar om de wiskunde te generaliseren om toe te passen op universums gemaakt van een willekeurig aantal dimensies, inclusief onze eigen vierdimensionale, en om te onderzoeken of een soortgelijk fenomeen als gevolg van moiré-patronen zou kunnen opduiken in andere gebieden van de natuurkunde. Dit leidde tot een onderzoekslijn die hen confronteerde met een van de grootste problemen in de kosmologie.

"We hebben besproken of we moiré-fysica kunnen observeren wanneer twee echte universums samensmelten tot één", zegt Parhizkar. "Waar wil je op letten als je deze vraag stelt? Eerst moet je de lengteschaal van elk universum kennen."

Een lengteschaal - of een schaal met een fysieke waarde in het algemeen - beschrijft welk nauwkeurigheidsniveau relevant is voor wat u ook bekijkt. Als je de grootte van een atoom benadert, dan is een tien miljardste van een meter van belang, maar die schaal is nutteloos als je een voetbalveld meet omdat het op een andere schaal staat. Natuurkundige theorieën stellen fundamentele limieten aan enkele van de kleinste en grootste schalen die logisch zijn in onze vergelijkingen.

De schaal van het universum die Galitski en Parhizkar betrof, wordt de Planck-lengte genoemd en definieert de kleinste lengte die consistent is met de kwantumfysica. De Planck-lengte is direct gerelateerd aan een constante - de kosmologische constante genoemd - die is opgenomen in Einsteins veldvergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie. In de vergelijkingen beïnvloedt de constante of het heelal - buiten de invloeden van de zwaartekracht - de neiging heeft om uit te zetten of in te krimpen.

Deze constante is fundamenteel voor ons universum. Dus om de waarde ervan te bepalen, hoeven wetenschappers in theorie alleen maar naar het universum te kijken, verschillende details te meten, zoals hoe snel sterrenstelsels van elkaar weg bewegen, alles in de vergelijkingen in te vullen en te berekenen wat de constante moet zijn.

Dit eenvoudige plan stuit op een probleem omdat ons universum zowel relativistische als kwantumeffecten bevat. Het effect van kwantumfluctuaties in het enorme vacuüm van de ruimte zou het gedrag zelfs op kosmologische schaal moeten beïnvloeden. Maar wanneer wetenschappers het relativistische begrip van het universum dat Einstein ons heeft gegeven, proberen te combineren met theorieën over het kwantumvacuüm, komen ze in de problemen.

Een van die problemen is dat wanneer onderzoekers waarnemingen proberen te gebruiken om de kosmologische constante te benaderen, de waarde die ze berekenen veel kleiner is dan ze zouden verwachten op basis van andere delen van de theorie. Wat nog belangrijker is, de waarde springt dramatisch rond, afhankelijk van hoeveel details ze in de benadering opnemen in plaats van zich te richten op een consistente waarde. Deze aanhoudende uitdaging staat bekend als het kosmologische constante probleem, of soms de 'vacuümcatastrofe'.

"Dit is de grootste - verreweg de grootste - inconsistentie tussen meting en wat we theoretisch kunnen voorspellen", zegt Parhizkar. "Het betekent dat er iets mis is."

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." + Verder verkennen

Centenary of cosmological constant lambda