Fysiker kommer ibland med galna historier som låter som science fiction. Vissa visar sig vara sanna, som hur krökningen av rum och tid som beskrevs av Einstein så småningom bekräftades av astronomiska mätningar. Andra dröjer kvar som rena möjligheter eller matematiska kuriosa.

I en ny artikel i Physical Review Research , JQI-stipendiat Victor Galitski och JQI-studenten Alireza Parhizkar har utforskat den fantasifulla möjligheten att vår verklighet bara är hälften av ett par interagerande världar. Deras matematiska modell kan ge ett nytt perspektiv för att titta på grundläggande egenskaper hos verkligheten – inklusive varför vårt universum expanderar som det gör och hur det relaterar till de minsta längder som tillåts inom kvantmekaniken. Dessa ämnen är avgörande för att förstå vårt universum och är en del av ett av den moderna fysikens stora mysterier.

Forskarparet snubblade över detta nya perspektiv när de undersökte forskning på ark av grafen - enstaka atomlager av kol i ett upprepat hexagonalt mönster. De insåg att experiment på de elektriska egenskaperna hos staplade ark av grafen gav resultat som såg ut som små universum och att det underliggande fenomenet kan generaliseras till andra fysikområden. I högar av grafen uppstår nya elektriska beteenden från interaktioner mellan de individuella arken, så kanske unik fysik på liknande sätt kan uppstå från interagerande lager någon annanstans – kanske i kosmologiska teorier om hela universum.

"Vi tycker att det här är en spännande och ambitiös idé", säger Galitski, som också är Chesapeake-professor i teoretisk fysik vid institutionen för fysik. "På sätt och vis är det nästan misstänkt att det fungerar så bra genom att naturligt "förutsäga" grundläggande egenskaper i vårt universum som inflation och Higgspartikeln som vi beskrev i ett uppföljande förtryck."

Staplad grafens exceptionella elektriska egenskaper och möjliga koppling till vår verklighet med en tvilling kommer från den speciella fysiken som produceras av mönster som kallas moirémönster. Moirémönster bildas när två upprepade mönster – allt från atomernas hexagoner i grafenark till rutnäten på fönsterskärmar – överlappar varandra och ett av lagren vrids, förskjuts eller sträcks ut.

Mönstren som uppstår kan upprepas över längder som är stora jämfört med de underliggande mönstren. I grafenhögar förändrar de nya mönstren fysiken som utspelar sig i arken, särskilt elektronernas beteenden. I det speciella fallet som kallas "magisk vinkelgrafen" upprepas moirémönstret över en längd som är cirka 52 gånger längre än mönsterlängden för de individuella arken, och energinivån som styr elektronernas beteende sjunker hastigt, vilket tillåter nya beteenden , inklusive supraledning.

Galitski och Parhizkar insåg att fysiken i två ark grafen kunde omtolkas som fysiken i två tvådimensionella universum där elektroner ibland hoppar mellan universum. Detta inspirerade paret att generalisera matematiken för att tillämpas på universum gjorda av valfritt antal dimensioner, inklusive vår egen fyrdimensionella, och att undersöka om liknande fenomen som härrör från moirémönster kan dyka upp inom andra fysikområden. Detta startade en undersökning som ställde dem ansikte mot ansikte med ett av de stora problemen inom kosmologi.

"Vi diskuterade om vi kan observera moiré-fysik när två verkliga universum smälter samman till ett," säger Parhizkar. "Vad vill du leta efter när du ställer den här frågan? Först måste du känna till längdskalan för varje universum."

En längdskala – eller en skala med ett fysiskt värde i allmänhet – beskriver vilken noggrannhetsnivå som är relevant för vad du än tittar på. Om du närmar dig storleken på en atom är en tiomiljarddels meter viktig, men den skalan är värdelös om du mäter en fotbollsplan eftersom den är på en annan skala. Fysik teorier sätter grundläggande gränser på några av de minsta och största skalorna som är vettiga i våra ekvationer.

Skalan av universum som berörde Galitski och Parhizkar kallas Plancklängden, och den definierar den minsta längden som överensstämmer med kvantfysiken. Plancklängden är direkt relaterad till en konstant – kallad den kosmologiska konstanten – som ingår i Einsteins fältekvationer för allmän relativitet. I ekvationerna påverkar konstanten huruvida universum – utanför gravitationspåverkan – tenderar att expandera eller dra ihop sig.

Denna konstant är grundläggande för vårt universum. Så för att bestämma dess värde behöver forskare i teorin bara titta på universum, mäta flera detaljer, som hur snabbt galaxer rör sig bort från varandra, koppla in allt i ekvationerna och beräkna vad konstanten måste vara.

Denna enkla plan stöter på ett problem eftersom vårt universum innehåller både relativistiska och kvanteffekter. Effekten av kvantfluktuationer över det stora vakuumet i rymden bör påverka beteenden även på kosmologiska skalor. Men när forskare försöker kombinera den relativistiska förståelsen av universum som Einstein gav oss med teorier om kvantvakuumet, stöter de på problem.

Ett av dessa problem är att när forskare försöker använda observationer för att approximera den kosmologiska konstanten, är värdet de beräknar mycket mindre än de skulle förvänta sig baserat på andra delar av teorin. Ännu viktigare är att värdet hoppar runt dramatiskt beroende på hur mycket detaljer de inkluderar i approximationen istället för att hitta ett konsekvent värde. Denna kvardröjande utmaning är känd som det kosmologiska konstanta problemet, eller ibland "vakuumkatastrofen."

"Detta är den största - överlägset största - inkonsekvensen mellan mätning och vad vi kan förutsäga genom teori," säger Parhizkar. "It means that something is wrong."

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." + Utforska vidare

Centenary of cosmological constant lambda