Grafenul cu două straturi inspiră un model cosmologic al două universuri

O foaie curbată și întinsă de grafen plasată deasupra unei alte foi curbe creează un nou model care afectează modul în care electricitatea se mișcă prin foi. Un nou model sugerează că o fizică similară ar putea apărea dacă două universuri adiacente ar putea interacționa. Credit: Alireza Parhizkar, JQI

Fizicienii vin uneori cu povești nebunești care sună ca science fiction. Unele se dovedesc a fi adevărate, cum ar fi că curbura spațiului și timpului descrisă de Einstein a fost în cele din urmă confirmată de măsurători astronomice. Altele rămân simple posibilități sau curiozități matematice.

Într-un nou articol despre Investigație de revizuire fizicăVictor Galitski, colegul JQI și studenta absolventă JQI Alireza Parhizkar au explorat posibilitatea imaginativă că realitatea noastră este doar jumătate dintr-o pereche de lumi care interacționează. Modelul său matematic poate oferi o nouă perspectivă pentru a privi caracteristicile fundamentale ale realității, inclusiv de ce universul nostru se extinde așa cum o face și cum se raportează la cele mai mici lungimi permise în mecanica cuantică. Aceste subiecte sunt cruciale pentru înțelegerea universului nostru și fac parte dintr-unul dintre marile mistere ale fizicii moderne.

Perechea de oameni de știință a dat peste această nouă perspectivă când au cercetat foile de grafen: straturi atomice unice de carbon într-un model hexagonal care se repetă. Ei și-au dat seama că experimentele privind proprietățile electrice ale foilor de grafen stivuite au produs rezultate care arătau ca niște universuri mici și că fenomenul de bază ar putea fi generalizat la alte domenii ale fizicii. În stivele de grafen, noi comportamente electrice apar din interacțiunile dintre foile individuale, așa că poate că fizica unică ar putea apărea în mod similar din interacțiunea straturilor în altă parte, poate în teoriile cosmologice despre întregul univers.

„Credem că aceasta este o idee captivantă și ambițioasă”, spune Galitski, care este, de asemenea, profesor de fizică teoretică în cadrul Departamentului de Fizică Chesapeake. „Într-un anumit sens, este aproape suspect că funcționează atât de bine la „prevaderea” în mod natural a caracteristicilor fundamentale ale universului nostru, cum ar fi inflația și particula Higgs, așa cum descriem într-o preprint ulterioară.”

Proprietățile electrice excepționale ale grafenului stivuit și posibila conexiune cu realitatea noastră de a avea un geamăn provin din fizica specială produsă de modele numite modele moiré. Modelele Moiré se formează atunci când două modele care se repetă, de la hexagoanele atomilor din foile de grafen până la grilele ecranelor ferestrelor, se suprapun și unul dintre straturi este răsucit, deplasat sau întins.

Tiparele care apar se pot repeta pe o perioadă lungă de timp în comparație cu tiparele de bază. În stivele de grafen, noile modele modifică fizica care se desfășoară în foi, în special, comportamentul electronilor. În cazul special numit „grafen cu unghi magic”, modelul moire se repetă pe o lungime de aproximativ 52 de ori mai mare decât lungimea modelului foilor individuale, iar nivelul de energie care guvernează comportamentul electronilor scade brusc. care permite noi comportamente. , inclusiv supraconductivitatea.

Galitski și Parhizkar și-au dat seama că fizica pe două foi de grafen ar putea fi reinterpretată ca fizica a două universuri bidimensionale în care electronii sar ocazional între universuri. Acest lucru a inspirat perechea să generalizeze matematica pentru a le aplica universurilor formate din orice număr de dimensiuni, inclusiv propriul nostru cu patru dimensiuni, și să exploreze dacă un fenomen similar rezultat din modelele moiré ar putea apărea în alte domenii ale fizicii. Aceasta a început o linie de investigație care i-a adus față în față cu una dintre principalele probleme din cosmologie.

„Am discutat dacă putem observa fizica moire atunci când două universuri reale se îmbină într-unul singur”, spune Parhizkar. “Ce vrei să cauți când pui această întrebare? Mai întâi trebuie să cunoști scara de lungime a fiecărui univers.”

O scară de lungime, sau o scară de valori fizice în general, descrie ce nivel de precizie este relevant pentru orice te uiți. Dacă aproximați dimensiunea unui atom, atunci contează o zece miliardime dintr-un metru, dar acea scară este inutilă dacă măsurați un teren de fotbal pentru că este la o scară diferită. Teoriile fizicii pun limite fundamentale pe unele dintre cele mai mici și mai mari scale care au sens în ecuațiile noastre.

Scara universului de care s-au preocupat Galitski și Parhizkar se numește lungimea Planck și definește cea mai mică lungime care este în concordanță cu fizica cuantică. Lungimea Planck este direct legată de o constantă, numită constantă cosmologică, care este inclusă în ecuațiile de câmp ale relativității generale ale lui Einstein. În ecuații, constanta influențează dacă universul, în afara influențelor gravitaționale, tinde să se extindă sau să se contracte.

Această constantă este fundamentală pentru universul nostru. Deci, pentru a-i determina valoarea, oamenii de știință, în teorie, trebuie doar să se uite la univers, să măsoare diverse detalii, cum ar fi cât de repede se retrag galaxiile, să introducă totul în ecuații și să stabilească care ar trebui să fie constanta.

Acest plan simplu se confruntă cu o problemă deoarece universul nostru conține atât efecte relativiste, cât și cuantice. Efectul fluctuațiilor cuantice în vastul vid al spațiului ar trebui să influențeze comportamentele chiar și la scară cosmologică. Dar când oamenii de știință încearcă să combine înțelegerea relativistă a universului a lui Einstein cu teoriile despre vidul cuantic, au probleme.

O astfel de problemă este că ori de câte ori cercetătorii încearcă să folosească observații pentru a aproxima constanta cosmologică, valoarea pe care o calculează este mult mai mică decât s-ar aștepta pe baza altor părți ale teoriei. Mai important, valoarea crește dramatic în funcție de cât de multe detalii includeți în aproximare, în loc să vă concentrați pe o valoare constantă. Această provocare persistentă este cunoscută ca problema constantă cosmologică sau, uneori, „catastrofa vidului”.

„Aceasta este cea mai mare inconsecvență, de departe cea mai mare, între măsurare și ceea ce putem prezice folosind teorie”, spune Parhizkar. „Înseamnă că ceva nu este în regulă”.

Deoarece modelele moire pot produce diferențe dramatice de scară, efectele moire păreau ca o lentilă naturală pentru a vedea problema. Galitski și Parhizkar au creat un model matematic (pe care îl numesc gravitație moire) luând două copii ale teoriei lui Einstein despre cum se schimbă universul în timp și introducând termeni suplimentari în matematică care permit celor două copii să interacționeze. În loc să se uite la scalele de energie și lungime din grafen, ei se uitau la constantele și lungimile cosmologice din universuri.

Galitski spune că această idee a apărut spontan când lucrau la un proiect aparent fără legătură, care este finanțat de Fundația John Templeton și se concentrează pe studierea fluxurilor hidrodinamice în grafen și alte materiale pentru a simula fenomene astrofizice.

Jucându-se cu modelul lor, ei au arătat că două lumi care interacționează cu constante cosmologice mari ar putea depăși comportamentul așteptat al constantelor cosmologice individuale. Interacțiunile produc un comportament guvernat de o constantă cosmologică eficientă comună, care este mult mai mică decât constantele individuale. Calcularea constantei cosmologice efective evită problema pe care o au cercetătorii cu valoarea aproximărilor lor, deoarece în timp influențele celor două universuri din model se anulează reciproc.

„Nu pretindem niciodată că acest lucru rezolvă problema constantei cosmologice”, spune Parhizkar. „Aceasta este o afirmație foarte arogantă, ca să fiu sincer. Aceasta este doar o idee bună că, dacă ai două universuri cu constante cosmologice uriașe, cu 120 de ordine de mărime mai mari decât ceea ce observăm noi, și dacă le combini, mai există o șansă ca din ele se poate obține o constantă cosmologică efectivă foarte mică”.

În lucrările preliminare de urmărire, Galitski și Parhizkar au început să dezvolte această nouă perspectivă prin scufundări într-un model mai detaliat al unei perechi de lumi interacționate, pe care ei le numesc „două lumi”. Fiecare dintre aceste lumi este o lume completă în sine, după standardele noastre obișnuite, și fiecare este plină cu seturi potrivite de toate materia și câmpurile. După cum permitea matematica, ei au inclus și câmpuri care trăiau simultan pe ambele lumi, pe care le-au numit „câmpuri amfibiene”.

Noul model a produs rezultate suplimentare pe care cercetătorii le consideră intrigante. În timp ce puneau împreună matematica, au descoperit că părți ale modelului arătau ca niște câmpuri importante care fac parte din realitate. Cel mai detaliat model de până acum sugerează că două lumi ar putea explica o mică constantă cosmologică și oferă detalii despre modul în care o astfel de două lumi ar putea imprima o semnătură distinctă radiației cosmice de fond: lumina care persistă din cele mai vechi timpuri ale universului.

Această semnătură ar putea fi văzută, sau cu siguranță nu, în măsurătorile din lumea reală. Deci, experimentele viitoare ar putea determina dacă această perspectivă unică inspirată de grafen merită mai multă atenție sau este pur și simplu un plus interesant la coșul de jucării al fizicienilor.

„Nu am explorat toate efectele, este un lucru dificil de făcut, dar teoria este falsificabilă experimental, ceea ce este un lucru bun”, spune Parhizkar. „Dacă nu este falsificat, atunci este foarte interesant pentru că rezolvă problema constantei cosmologice în timp ce descrie o mulțime de alte părți importante ale fizicii. Personal, nu am prea multe speranțe pentru asta, cred că de fapt este prea mare pentru a fi adevărat. .”


Centenarul constantei cosmologice lambda


Mai multe informatii:
Alireza Parhizkar și colab., Grafen bistrat încordat, scale de energie emergentă și gravitație moiré, Investigație de revizuire fizică (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L022027

Alireza Parhizkar, Victor Galitski, Moiré Gravity and Cosmology. arXiv:2204.06574v1 [hep-th]arxiv.org/abs/2204.06574

Furnizat de Joint Quantum Institute

Citare: Bilayer Graphene Inspires Two-Universe Cosmological Model (6 mai 2022) Preluat la 6 mai 2022 de la https://phys.org/news/2022-05-bilayer-graphene-two-universe-cosmological. html

Acest document este supus dreptului de autor. În afară de orice tranzacție echitabilă în scopuri private de studiu sau cercetare, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este furnizat doar în scop informativ.

Add Comment