Un foglio curvo e allungato di grafene posato su un altro foglio curvo crea un nuovo motivo che influisce sul modo in cui l'elettricità si muove attraverso i fogli. Un nuovo modello suggerisce che una fisica simile potrebbe emergere se due universi adiacenti sono in grado di interagire. Credito: Alireza Parhizkar, JQI
I fisici a volte escogitano storie folli che sembrano fantascienza. Alcuni si rivelano veri, come il modo in cui la curvatura dello spazio e del tempo descritta da Einstein fu infine confermata da misurazioni astronomiche. Altri indugiano come semplici possibilità o curiosità matematiche.
In un nuovo articolo in Ricerca di revisione fisica , il collega JQI Victor Galitski e lo studente laureato JQI Alireza Parhizkar hanno esplorato la possibilità immaginativa che la nostra realtà sia solo la metà di una coppia di mondi interagenti. Il loro modello matematico può fornire una nuova prospettiva per esaminare le caratteristiche fondamentali della realtà, incluso il motivo per cui il nostro universo si espande in questo modo e come ciò si collega alle lunghezze più minuscole consentite nella meccanica quantistica. Questi argomenti sono cruciali per comprendere il nostro universo e fanno parte di uno dei grandi misteri della fisica moderna.
I due scienziati si sono imbattuti in questa nuova prospettiva mentre stavano esaminando la ricerca su fogli di grafene:singoli strati atomici di carbonio in uno schema esagonale ripetuto. Si sono resi conto che gli esperimenti sulle proprietà elettriche di fogli impilati di grafene hanno prodotto risultati che sembravano piccoli universi e che il fenomeno sottostante potrebbe generalizzare ad altre aree della fisica. Nelle pile di grafene, nuovi comportamenti elettrici derivano dalle interazioni tra i singoli fogli, quindi forse una fisica unica potrebbe emergere in modo simile da strati interagenti altrove, forse nelle teorie cosmologiche sull'intero universo.
"Pensiamo che questa sia un'idea eccitante e ambiziosa", afferma Galitski, che è anche professore di Fisica Teorica presso il Dipartimento di Fisica della Cattedra Chesapeake. "In un certo senso, è quasi sospetto che funzioni così bene 'predicendo' naturalmente le caratteristiche fondamentali del nostro universo come l'inflazione e la particella di Higgs, come abbiamo descritto in un preprint di follow-up."
Le eccezionali proprietà elettriche del grafene impilato e la possibile connessione alla nostra realtà di avere un gemello derivano dalla fisica speciale prodotta da schemi chiamati motivi moiré. I motivi moiré si formano quando due motivi ripetuti, dagli esagoni degli atomi nei fogli di grafene alle griglie degli schermi delle finestre, si sovrappongono e uno degli strati viene attorcigliato, sfalsato o allungato.
Gli schemi che emergono possono ripetersi per lunghezze che sono vaste rispetto agli schemi sottostanti. Nelle pile di grafene, i nuovi modelli cambiano la fisica che si manifesta nei fogli, in particolare i comportamenti degli elettroni. Nel caso speciale chiamato "grafene ad angolo magico", il motivo moiré si ripete su una lunghezza che è circa 52 volte più lunga della lunghezza del motivo dei singoli fogli e il livello di energia che governa i comportamenti degli elettroni diminuisce precipitosamente, consentendo nuovi comportamenti , inclusa la superconduttività.
Galitski e Parhizkar si resero conto che la fisica in due fogli di grafene poteva essere reinterpretata come la fisica di universi bidimensionali in cui gli elettroni saltellano occasionalmente tra gli universi. Ciò ha ispirato la coppia a generalizzare la matematica da applicare a universi costituiti da un numero qualsiasi di dimensioni, inclusa la nostra quadridimensionale, e ad esplorare se un fenomeno simile derivante da modelli moiré potesse apparire in altre aree della fisica. Ciò ha avviato una linea di indagine che li ha portati faccia a faccia con uno dei maggiori problemi della cosmologia.
"Abbiamo discusso se possiamo osservare la fisica moiré quando due universi reali si fondono in uno", dice Parhizkar. "Cosa vuoi cercare quando fai questa domanda? Per prima cosa devi conoscere la scala di lunghezza di ogni universo."
Una scala di lunghezza, o una scala di un valore fisico in generale, descrive quale livello di accuratezza è rilevante per qualsiasi cosa tu stia guardando. Se stai approssimando la dimensione di un atomo, allora un decimiliardesimo di metro conta, ma quella scala è inutile se stai misurando un campo da calcio perché è su una scala diversa. Le teorie della fisica pongono limiti fondamentali su alcune delle scale più piccole e più grandi che hanno senso nelle nostre equazioni.
La scala dell'universo che riguardava Galitski e Parhizkar è chiamata lunghezza di Planck e definisce la lunghezza più piccola coerente con la fisica quantistica. La lunghezza di Planck è direttamente correlata a una costante, chiamata costante cosmologica, inclusa nelle equazioni di campo della relatività generale di Einstein. Nelle equazioni, la costante influenza se l'universo, al di fuori delle influenze gravitazionali, tende ad espandersi o contrarsi.
Questa costante è fondamentale per il nostro universo. Quindi, per determinarne il valore, gli scienziati, in teoria, devono solo guardare l'universo, misurare diversi dettagli, come la velocità con cui le galassie si allontanano l'una dall'altra, inserire tutto nelle equazioni e calcolare quale deve essere la costante.
Questo piano semplice incontra un problema perché il nostro universo contiene sia effetti relativistici che quantistici. L'effetto delle fluttuazioni quantistiche nel vasto vuoto dello spazio dovrebbe influenzare i comportamenti anche su scala cosmologica. Ma quando gli scienziati cercano di combinare la comprensione relativistica dell'universo fornitaci da Einstein con le teorie sul vuoto quantistico, si imbattono in problemi.
Uno di questi problemi è che ogni volta che i ricercatori tentano di utilizzare le osservazioni per approssimare la costante cosmologica, il valore che calcolano è molto più piccolo di quanto si aspetterebbero sulla base di altre parti della teoria. Ancora più importante, il valore salta drammaticamente a seconda di quanti dettagli includono nell'approssimazione invece di puntare su un valore coerente. Questa sfida persistente è nota come il problema costante cosmologico, o talvolta la "catastrofe del vuoto".
"Questa è la più grande, di gran lunga la più grande, incoerenza tra la misurazione e ciò che possiamo prevedere dalla teoria", afferma Parhizkar. "Significa che qualcosa non va."
Poiché i motivi moiré possono produrre differenze drammatiche nelle scale, gli effetti moiré sembravano una lente naturale per visualizzare il problema. Galitski e Parhizkar hanno creato un modello matematico (che chiamano gravità moiré) prendendo due copie della teoria di Einstein su come l'universo cambia nel tempo e introducendo termini aggiuntivi nella matematica che consentono alle due copie di interagire. Invece di guardare le scale di energia e lunghezza nel grafene, stavano guardando le costanti cosmologiche e le lunghezze negli universi.
Galitski afferma che questa idea è nata spontaneamente quando stavano lavorando a un progetto apparentemente non correlato finanziato dalla John Templeton Foundation e incentrato sullo studio dei flussi idrodinamici nel grafene e in altri materiali per simulare fenomeni astrofisici.
Giocando con il loro modello, hanno mostrato che due mondi interagenti con grandi costanti cosmologiche potrebbero ignorare il comportamento atteso dalle singole costanti cosmologiche. Le interazioni producono comportamenti governati da una costante cosmologica effettiva condivisa che è molto più piccola delle costanti individuali. Il calcolo per la costante cosmologica effettiva aggira il problema che i ricercatori hanno con il valore delle loro approssimazioni che saltano in giro perché nel tempo le influenze dei due universi nel modello si annullano a vicenda.
"Non affermiamo, mai, che questo risolva il problema costante cosmologico", afferma Parhizkar. "Questa è un'affermazione molto arrogante, ad essere onesti. Questa è solo una bella intuizione che se hai due universi con enormi costanti cosmologiche - tipo 120 ordini di grandezza più grandi di quello che osserviamo - e se li combini, c'è ancora una possibilità che puoi ricavarne una piccolissima costante cosmologica efficace."
Nel lavoro preliminare di follow-up, Galitski e Parhizkar hanno iniziato a costruire su questa nuova prospettiva tuffandosi in un modello più dettagliato di una coppia di mondi interagenti, che hanno soprannominato "bi-mondi". Ciascuno di questi mondi è un mondo completo a sé stante secondo i nostri standard normali, e ognuno è riempito con insiemi corrispondenti di tutte le materie e campi. Poiché la matematica lo consentiva, includevano anche campi che vivevano contemporaneamente in entrambi i mondi, che chiamavano "campi anfibi".
Il nuovo modello ha prodotto ulteriori risultati che i ricercatori trovano intriganti. Quando hanno messo insieme i calcoli, hanno scoperto che una parte del modello sembrava campi importanti che fanno parte della realtà. Il modello più dettagliato suggerisce ancora che due mondi potrebbero spiegare una piccola costante cosmologica e fornisce dettagli su come un tale bi-mondo potrebbe imprimere una firma distinta sulla radiazione cosmica di fondo, la luce che indugia dai primi tempi nell'universo.
Questa firma potrebbe essere vista, o definitivamente non essere vista, nelle misurazioni del mondo reale. Quindi esperimenti futuri potrebbero determinare se questa prospettiva unica ispirata al grafene meriti maggiore attenzione o sia semplicemente una novità interessante nel cestino dei giocattoli dei fisici.
"Non abbiamo esplorato tutti gli effetti, è una cosa difficile da fare, ma la teoria è falsificabile sperimentalmente, il che è positivo", afferma Parhizkar. "Se non è falsificato, allora è molto interessante perché risolve il problema della costante cosmologica mentre descrive molte altre parti importanti della fisica. Personalmente non ho le mie speranze in questo, penso che in realtà sia troppo grande per essere vero". + Esplora ulteriormente
