Нашата вселена може да е комбинация от два слоя взаимодействащи си светове

Ново изследване изследва въображаемата възможност нашата реалност да е комбинация от два взаимодействащи си вселени.

Физиците понякога измислят странни истории, които звучат като научна фантастика. И все пак някои се оказват верни, например как кривината на пространството и времето, описана от Айнщайн, в крайна сметка е потвърдена от астрономически измервания. Други остават просто възможности или математически куриози.

В нов документ във Physical Review Research, сътрудникът на Квантовия институт JQI (Joint Quantum Institute) Виктор Галицки (Victor Galitski) и аспирантката в JQI Алиреза Пархизкар (Alireza Parhizkar) изследват въображаемата възможност нашата реалност да е само половината от два взаимодействащи си светове. Техният математически модел може да предложи нова перспектива за разглеждане на фундаментални аспекти на реалността – включително защо нашата вселена се разширява по начина, по който го прави, и как това се отнася до най-минималните разстояния, разглеждани в квантовата механика. Тези теми са от решаващо значение за разбирането на нашата Вселена и са част от една от големите мистерии на съвременната физика.

Тази идея хрумва на дваната учени, докато разглеждат нещо съвсем различно изследване върху листове от графен - слоеве с дебелина един атом въглерод в повтарящ се шестоъгълен модел (патерн). Те осъзнават, че експериментите върху електрическите свойства на подредените листове графен дават резултати, които приличат на малки вселени и че основното явление може да се обобщи в други области на физиката. Новото електрическо поведение в стековете графен възниква от взаимодействията между отделните листове, така че може би би могла да се появи уникална физика по подобен начин на взаимодействащите си слоеве другаде - може би в космологичните теории за цялата Вселена.

^{(а) единичен извит слой графен. (б) Двоен слой, изграден от два еднакво извити слоя с неравномерни графенови схеми. Едната схема е леко свита спрямо другата, което води до познатите модели "моаре". Кредит: Strained bilayer graphene, emergent energy scales, and moiré gravity; Alireza Parhizkar and Victor Galitski; Phys. Rev. Research 4, L022027 – Published 2 May 2022}

„Смятаме, че това е вълнуваща и амбициозна идея“, коментира Галитски, професор по теоретична физика в Чесапийк в катедрата по физика. „В известен смисъл е почти подозрително, че работи толкова добре, като естествено „предсказва“ фундаментални характеристики на нашата вселена, като инфлацията и частицата на Хигс, както го описахме в своя препринт.“

Изключителните електрически свойства на слоевете графен и възможната връзка с нашата реалност идват от специалната физика, произведена от модели, наречени "моаре". Патерните моаре се образуват, когато два повтарящи се шаблона – като шестоъгълниците на атомите в графеновите листове – се припокриват и един от слоевете е усукан, изместен или разтегнат.

Патерните, които се появяват, могат да се повтарят на дължини, които са огромни в сравнение с основните модели. В графеновите стекове новите модели променят физиката, която работи в листовете, по-специално поведението на електроните. В специалния случай, наречен „графен с магически ъгъл“, моделът "моаре" се повтаря на дължина, която е около 52 пъти по-дълга от дължината на шаблона на отделните листове, а енергийното ниво, което управлява поведението на електроните, пада рязко, позволявайки нови поведения, включително свръхпроводимост.

Галитски и Пархизкар осъзнават, че физиката в два листа графен може да бъде интерпретирана като физика на две двуизмерни вселени, където електроните от време на време прескачат между вселените. Това вдъхновявва двамата физици да обобщят математиката, за да се приложи към вселени, направени от произволен брой измерения, включително нашата собствена четириизмерна, и да проучат дали подобно явление в резултат на модела "моаре" може да се появи в други области на физиката. Това постави началото на линия на разследване, която ги постави лице в лице с един от основните проблеми в космологията.

„Обсъждахме дали можем да наблюдаваме физиката "моаре", когато две реални вселени се сливат в една“, разказва Пархизкар. „На какво искате да обърнете внимание, когато задавате този въпрос? Първо трябва да знаете мащаба на дължината на всяка вселена."

Скалата за дължината - или скалата на физическите величини като цяло - описва какво ниво на точност е от значение за това, което гледате. Ако приближавате размера на атом, тогава десет милиардната от метъра има значение, но тази скала е безполезна, ако измервате футболно игрище, защото е в различен мащаб. Физическите теории поставят фундаментални ограничения на някои от най-малките и най-големите мащаби, които имат смисъл в нашите уравнения.

_{Патерни "моаре", създадени от две въртящи се графенови решетки. Кредит: Wikimedia Commons}

Мащабът на Вселената, който засяга Галицки и Пархизкар, се нарича дължина на Планк и определя най-малката дължина, която е в съответствие с квантовата физика. Дължината на Планк е пряко свързана с константа, наречена космологична константа, която е включена в полевите уравнения на Айнщайн от Общата теория на относителността. В уравненията константата влияе върху това дали Вселената - извън гравитационните влияния - има тенденция да се разширява или свива.

Тази константа е фундаментална за нашата вселена. Така че, за да определят нейната стойност, учените на теория просто трябва да измерят няколко детайла от Вселената, като например колко бързо се отдалечават галактиките една от друга, да включат всичко в уравненията и да изчислят каква трябва да бъде константата.

Този ясен план се сблъсква с проблем, защото нашата вселена съдържа както релативистки, така и квантови ефекти. Ефектът от квантовите флуктуации в огромния космически вакуум трябва да повлияе на поведението дори в космологични мащаби. Но когато учените се опитват да комбинират релативисткото разбиране за Вселената, дадено ни от Айнщайн, с теориите за квантовия вакуум, се сблъскват с проблеми.

Един от тези проблеми е, че когато изследователите се опитват да използват наблюдения, за да намерят приближение на космологичната константа, стойността, която изчисляват, е много по-малка, отколкото биха очаквали въз основа на други части на теорията. По-важното е, че стойността скача драстично в зависимост от това колко детайли включат в приближението, вместо да клони към последователна стойност. Този проблем е известен като проблем с космологичната константа или понякога „вакуумната катастрофа“.

"Това е най-голямото - далеч най-голямото - несъответствие между измерването и това, което можем да предвидим по теория", коментира Пархизкар."Това означава, че нещо не е наред."

Тъй като моделите моаре могат да доведат до драматични разлики в мащабите, ефектите на моарето изглеждат като естествена леща, през която да се види проблема. Галицки и Пархизкар създават математически модел (който те наричат ​​моаре гравитация), като вземат две копия от теорията на Айнщайн за това как Вселената се променя с времето и въвеждат допълнителни параметри, които позволяват на двете копия да взаимодействат. И вместо мащабите на енергията и дължината в графена, те разглеждата космологичните константи и дължини във вселените.

Галитски разказва, че тази идея е възникнала спонтанно, когато са работили по привидно несвързан проект, фокусиран върху изучаването на хидродинамични потоци в графена и други материали за симулиране на астрофизични явления.

Играейки със своя модел, те забелязват, че два взаимодействащи си свята с големи космологични константи могат да отменят очакваното поведение от отделните космологични константи. Взаимодействията произвеждат поведение, управлявано от споделена ефективна космологична константа, която е много по-малка от константите в двата свята. Изчислението за ефективната космологична константа заобикаля проблема, който изследователите имат, като стойността на техните приближения скача, тъй като с течение на времето влиянията от двете вселени в модела се анулират взаимно.

„Ние никога не сме твърдели, че това решава проблема с космологичните константи“, подчертава Пархизкар. „Това е много арогантно твърдение, честно казано. Това е просто хубаво прозрение, че ако имате две вселени с огромни космологични константи – като 120 порядъка по-големи от това, което наблюдаваме – и ако ги комбинирате, все още има шанс да получите много малка ефективна космологична константа от тях."

В последващ препринт Галицки и Пархизкар започват да надграждат тази нова перспектива, като се гмуркат в по-подробен модел на двойка взаимодействащи си светове – който те наричат ​​„двoйни светове“ (bi-worlds). Всеки един от тези светове е завършен свят сам по себе си според нашите нормални стандарти и всеки е изпълнен със съвпадащи набори от всякаква материя и полета. Тъй като математиката го позволява, те включват и полета, които обитават едновременно и в двата свята, които те наричат „амфибийни полета“ (amphibian fields).

Новият модел дава още резултати, които изследователите намират за интригуващи. Докато го обосновават математически, те откриват, че част от модела изглежда като важни полета, които са част от нашата реалност. По-подробният модел също предполага, че два свята биха могли да обяснят малката космологична константа и предоставя подробности за това как такъв двоенсвят може да направи отчетлив подпис върху космическото фоново излъчване - светлината, която е останала от най-ранните времена във Вселената.

Този подпис вероятно би могъл да се види - или категорично да не се види - при измервания в реалния свят. Така че бъдещите експерименти биха могли да определят дали тази уникална перспектива, вдъхновена от графена, заслужава повече внимание или е просто интересна новост, която може да се изхвърли  в кошчето за ненужни играчки на физиците.

„Не сме изследвали всички ефекти – това е трудно да се направи, но теорията може да бъде фалшифицируема (опровергана) експериментално, което е добре“, отбелязва Пархизкар. „Ако не е фалшифицируемо, значи е много интересно, защото решава проблема с космологичните константи, като същевременно описва много други важни части от физиката. Аз лично нямам надежди за това – мисля, че всъщност е твърде голямо, за да е истина."

Справка: 

“Strained bilayer graphene, emergent energy scales, and moiré gravity” by Alireza Parhizkar and Victor Galitski, 2 May 2022, Physical Review Research.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L022027

Moire Gravity and Cosmology
Alireza Parhizkar and Victor Galitski
arXiv:2204.06574v1

Източник: Our Reality May Only Be Half of a Pair of Interacting Worlds
Joint Quantum Institute

Още по темата

04/05/2022

Космос

Вселената може да започне да се свива „забележително скоро“, твърдят учени

08/03/2022

Физика

Тъмна енергия: Неутронните звезди ще ни кажат дали тя е само илюзия

04/02/2022

Космос

Вълни, по-големи от видимата Вселена, могат да обяснят напрежението на Хъбъл

04/11/2021

Животът

Прецизно настроена за живот ли е нашата Вселена?