双层石墨烯激发双宇宙宇宙学模型

　　弯曲和拉伸的石墨烯片铺在另一张弯曲的片上，创造了一种新的模式，影响电流如何通过片材。一个新的模型表明，如果两个相邻的宇宙能够相互作用，可能会出现类似的物理学。图片来源：Alireza Parhizkar，JQI
　　物理学家有时会想出听起来像科幻小说的疯狂故事。有些被证明是正确的，比如爱因斯坦描述的空间和时间的曲率最终是如何被天文测量所证实的。其他人则徘徊在仅仅是可能性或数学好奇心上。
　　在 《物理评论研究》（Physical Review Research） 上的一篇新论文中，JQI研究员Victor Galitski和JQI研究生Alireza Parhizkar探索了一种富有想象力的可能性，即我们的现实只是一对相互作用的世界的一半。他们的数学模型可能为观察现实的基本特征提供了一个新的视角——包括为什么我们的宇宙会以这种方式膨胀，以及它与量子力学中允许的最微小的长度有何关系。这些主题对于理解我们的宇宙至关重要，并且是现代物理学伟大奥秘之一的一部分。
　　这对科学家在研究石墨烯片时偶然发现了这个新观点 - 碳的单原子层以重复的六边形模式。他们意识到，对堆叠的石墨烯片的电学性质的实验产生了看起来像小宇宙的结果，并且潜在的现象可能会推广到物理学的其他领域。在石墨烯的堆叠中，新的电行为来自各个片之间的相互作用，因此，也许独特的物理学也可以从其他地方的相互作用层中出现 - 也许在关于整个宇宙的宇宙学理论中。
　　＂我们认为这是一个令人兴奋和雄心勃勃的想法，＂Galitski说，他也是物理系理论物理学的切萨皮克讲座教授。＂从某种意义上说，它通过自然地＂预测＂我们宇宙的基本特征，如暴胀和希格斯粒子，正如我们在随后的预印本中描述的那样，很好地工作得如此之好，这几乎是可疑的。
　　堆叠石墨烯的特殊电性能以及与我们的现实中孪生兄弟的可能联系来自称为摩尔纹图案的图案产生的特殊物理学。当两个重复的图案（从石墨烯片中原子的六边形到窗纱的网格）重叠并且其中一个层被扭曲，偏移或拉伸时，就会形成摩尔纹图案。
　　与底层模式相比，出现的模式可以在巨大的长度上重复。在石墨烯堆栈中，新模式改变了片中发挥作用的物理现象，特别是电子的行为。在称为＂魔角石墨烯＂的特殊情况下，摩尔纹图案重复的长度大约是单个片的图案长度的52倍，并且控制电子行为的能级急剧下降，从而允许新的行为，包括超导性。
　　Galitski和Parhizkar意识到，两片石墨烯中的物理学可以被重新解释为两个二维宇宙的物理学，其中电子偶尔会在宇宙之间跳跃。这激发了两人将数学推广到由任何维度组成的宇宙，包括我们自己的四维宇宙，并探索由摩尔纹图案产生的类似现象是否会在其他物理学领域出现。这开始了一系列调查，使他们直面宇宙学中的主要问题之一。
　　＂我们讨论了当两个真实宇宙合并为一个时，我们是否可以观察到摩尔纹物理学，＂Parhizkar说。＂当你问这个问题时，你想寻找什么？首先，你必须知道每个宇宙的长度尺度。
　　长度刻度（或通常为物理值的刻度）描述了与您正在查看的任何内容相关的精度级别。如果你正在近似一个原子的大小，那么一米的百亿分之一很重要，但是如果你测量一个足球场，这个比例是无用的，因为它在不同的尺度上。物理理论对一些在我们的方程中有意义的最小和最大尺度施加了基本限制。
　　与加利茨基和帕里兹卡尔有关的宇宙尺度被称为普朗克长度，它定义了与量子物理学一致的最小长度。普朗克长度与一个常数（称为宇宙学常数）直接相关，该常数包含在爱因斯坦的广义相对论场方程中。在方程中，常数影响宇宙在引力影响之外是否倾向于膨胀或收缩。
　　这个常数是我们宇宙的基础。因此，为了确定它的价值，科学家在理论上只需要观察宇宙，测量几个细节，比如星系彼此远离的速度，把所有东西都插入方程中，计算常数必须是多少。
　　这个直截了当的计划遇到了一个问题，因为我们的宇宙同时包含相对论效应和量子效应。量子涨落在浩瀚的太空真空中的影响应该影响行为，即使在宇宙尺度上也是如此。但是，当科学家试图将爱因斯坦给我们的宇宙的相对论性理解与量子真空理论结合起来时，他们遇到了问题。
　　其中一个问题是，每当研究人员试图使用观测来近似宇宙学常数时，他们计算的值比他们根据理论的其他部分所期望的要小得多。更重要的是，该值会急剧跳跃，具体取决于它们在近似值中包含的细节量，而不是归巢于一致的值。这种挥之不去的挑战被称为宇宙学常数问题，有时也被称为＂真空灾难＂。
　　＂这是测量与我们可以通过理论预测的最大 - 迄今为止最大的 - 不一致，＂Parhizkar说。＂这意味着出了点问题。
　　由于摩尔纹图案可以在比例上产生巨大的差异，因此摩尔纹效果似乎是观察问题的自然镜头。Galitski和Parhizkar创建了一个数学模型（他们称之为摩尔纹引力），方法是采用爱因斯坦关于宇宙如何随时间变化的理论的两个副本，并在数学中引入额外的项，让两个副本相互作用。他们没有研究石墨烯中能量和长度的尺度，而是研究宇宙中的宇宙学常数和长度。
　　Galitski说，这个想法是当他们从事一个看似无关的项目时自发产生的，该项目由约翰邓普顿基金会资助，专注于研究石墨烯和其他材料中的流体动力学流动，以模拟天体物理现象。
　　通过玩弄他们的模型，他们发现两个具有大型宇宙学常数的相互作用的世界可以覆盖单个宇宙学常数的预期行为。相互作用产生的行为由一个共同的有效宇宙学常数控制，该常数比单个常数小得多。有效宇宙学常数的计算回避了研究人员的问题，即他们的近似值跳跃，因为随着时间的推移，模型中两个宇宙的影响相互抵消。
　　＂我们从来没有声称这解决了宇宙学的常数问题，＂Parhizkar说。＂说实话，这是一个非常傲慢的说法。这只是一个很好的见解，如果你有两个宇宙具有巨大的宇宙学常数 - 比如比我们观察到的大120个数量级 - 如果你将它们结合起来，你仍然有可能从它们中获得一个非常小的有效宇宙学常数。
　　在初步的后续工作中，Galitski和Parhizkar已经开始在这个新视角的基础上，深入研究一对相互作用的世界的更详细的模型 - 他们称之为＂双世界＂。按照我们的正常标准，这些世界中的每一个都是一个完整的世界，每个世界都充满了所有物质和领域的匹配集。由于数学允许，它们还包括同时生活在两个世界中的田地，他们称之为＂两栖动物场＂。
　　新模型产生了研究人员发现有趣的其他结果。当他们把数学放在一起时，他们发现模型的一部分看起来像是现实中的重要领域。更详细的模型仍然表明，两个世界可以解释一个小的宇宙学常数，并提供了关于这样一个双世界如何在宇宙背景辐射上留下一个独特的特征的细节 - 从宇宙最早的时间徘徊的光。
　　在现实世界的测量中，这种特征可能被看到，或者肯定看不到。因此，未来的实验可以确定这种受石墨烯启发的独特视角是否值得更多关注，或者仅仅是物理学家玩具箱中的一个有趣的新奇事物。
　　＂我们还没有探索所有的影响 - 这是一件很难的事情，但理论可以通过实验证明，这是一件好事，＂Parhizkar说。＂如果它不是证伪的，那么它非常有趣，因为它解决了宇宙学常数问题，同时描述了物理学的许多其他重要部分。我个人对此不抱有希望 - 我认为这实际上太大了，不可能是真的。