Doppelschicht-Graphen inspiriert kosmisches Modell der beiden Universen

Eine gekrümmte, gestreckte Graphenfolie, die auf eine andere gekrümmte Folie gelegt wird, erzeugt ein neues Muster, das beeinflusst, wie Elektrizität durch die Paneele fließt. Ein neues Modell legt nahe, dass eine ähnliche Physik entstehen könnte, wenn zwei benachbarte Welten interagieren könnten. Bildnachweis: Alireza Parhizkar, JQI

Physiker erfinden manchmal verrückte Geschichten, die wie Science-Fiction klingen. Einige stellen sich als wahr heraus, wie zum Beispiel die von Einstein beschriebene Krümmung von Raum und Zeit, die schließlich durch astronomische Messungen nachgewiesen wurde. Andere bleiben bloße Wahrscheinlichkeiten oder mathematische Kuriositäten.

In einer neuen Zeitung in Physikalische ÜberprüfungsforschungJQI-Fellow Victor Galitsky und JQI-Doktorand Alireza Parhizkar haben die fiktive Möglichkeit untersucht, dass unsere Realität aus einem halben Paar interagierender Welten besteht. Ihr mathematisches Modell kann eine neue Perspektive für die Betrachtung grundlegender Merkmale der Realität bieten – einschließlich der Frage, warum sich unser Universum so ausdehnt, wie es sich ausdehnt, und wie dies mit den kleinsten zulässigen Längen der Quantenmechanik zusammenhängt. Diese Themen sind wichtig für das Verständnis unseres Universums und Teil eines der großen Mysterien der modernen Physik.

Die Wissenschaftler stießen auf diese neue Perspektive, als sie Graphenblätter untersuchten – einzelne atomare Schichten aus Kohlenstoff mit einem sich wiederholenden sechseckigen Muster. Sie erkannten, dass Experimente mit den elektrischen Eigenschaften von gestapelten Graphenschichten zu Ergebnissen führten, die wie kleine Universen aussahen, und dass das zugrunde liegende Phänomen auf andere Bereiche der Physik verallgemeinert werden könnte. In Graphenstapeln entstehen neue elektrische Verhaltensweisen aus Wechselwirkungen zwischen einzelnen Schichten, sodass vielleicht anderswo eine ähnlich einzigartige Physik aus Schichtwechselwirkungen entstehen könnte – vielleicht in kosmologischen Theorien über das gesamte Universum.

„Wir halten das für eine spannende und ehrgeizige Idee“, sagt Galitsky, der auch Chesapeake-Professor für Theoretische Physik am Fachbereich Physik ist. „In gewisser Weise ist es fast zweifelhaft, ob es gut funktioniert, indem es grundlegende Merkmale unseres Universums wie Inflation und das Higgs-Teilchen auf natürliche Weise ‚vorhersagt‘, wie wir es in einem Preprint beschreiben.“

Die außergewöhnlichen elektrischen Eigenschaften von gestapeltem Graphen und die potenzielle Verbindung zu unserer Realität in Gegenwart eines Zwillings stammen von einer speziellen Physik, die durch Muster erzeugt wird, die als Moiré-Muster bezeichnet werden. Moiré-Muster entstehen, wenn sich zwei sich wiederholende Muster – alles von Atomsechsecken in Graphenschichten bis hin zu Gittern von Fenstergittern – durchdringen und eine der Schichten verdreht, ausbalanciert oder gedehnt wird.

Erscheinende Muster können im Vergleich zu Grundmustern in großen Längen wiederholt werden. In Graphenstapeln verändern die neuen Muster die Physik, die in den Platten am Werk ist, insbesondere das Verhalten von Elektronen. In einem speziellen Fall namens „Magic Angle Graphene“ wiederholt sich ein Moiré-Muster entlang einer Länge, die etwa 52-mal länger ist als die Länge des einzelnen Blattmusters, und das Energieniveau, das das Verhalten von Elektronen steuert, fällt stark ab, was neue Verhaltensweisen ermöglicht, einschließlich Supraleitung. .

Galitsky und Bariskar erkannten, dass die Physik zweier Graphenschichten als die Physik zweidimensionaler Universen neu interpretiert werden könnte, in denen Elektronen manchmal zwischen Universen hin- und herspringen. Dies inspirierte das Paar dazu, die Mathematik zu verallgemeinern, um sie auf Universen anzuwenden, die aus einer beliebigen Anzahl von Dimensionen bestehen, einschließlich unserer eigenen, und zu untersuchen, ob ähnliche Phänomene, die durch Moiré-Muster verursacht werden, in anderen Bereichen der Physik auftreten könnten. Damit begann eine Reihe von Untersuchungen, die sie mit einem der Hauptprobleme der Kosmologie konfrontierten.

„Wir diskutierten, ob wir die Physik von Wellen beobachten könnten, wenn sich zwei reale Welten zu einer verbinden“, sagt Parhizkar. “Wonach willst du suchen, wenn du diese Frage stellst? Zuerst musst du die Längenskala jedes Universums kennen.”

Die Längenskala – oder allgemein die Skala der physikalischen Werte – beschreibt die angemessene Genauigkeit für das, was Sie betrachten. Wenn Sie sich der Größe eines Atoms nähern, zählt ein zehnmilliardstel Meter, aber diese Skala ist nutzlos, wenn Sie ein Fußballfeld messen, weil es eine andere Skala ist. Physikalische Theorien legen grundlegende Grenzen für einige der kleineren und größeren Skalen fest, die in unseren Gleichungen sinnvoll sind.

Die Skala des Universums, die Galitsky und Bariskar betrifft, wird Planck-Länge genannt und definiert die kleinste Länge, die der Quantenphysik entspricht. Die Planck-Länge steht in direktem Zusammenhang mit einer Konstante – genannt kosmologische Konstante – die in Einsteins Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie enthalten ist. In den Gleichungen beeinflusst die Konstante, ob das Universum – außerhalb der Auswirkungen der Schwerkraft – dazu neigt, sich auszudehnen oder zusammenzuziehen.

Diese Konstante ist grundlegend für unser Universum. Um seinen Wert zu bestimmen, müssen Wissenschaftler also theoretisch nur das Universum betrachten, viele Details messen, etwa wie schnell sich Galaxien voneinander entfernen, alles in die Gleichungen eingeben und berechnen, was die Konstante sein sollte.

Dieser einfache Plan hat ein Problem, weil unser Universum sowohl relativistische als auch Quanteneffekte enthält. Die Wirkung von Quantenfluktuationen in der riesigen Leere des Weltraums sollte das Verhalten sogar auf kosmischer Ebene beeinflussen. Aber wenn Wissenschaftler versuchen, das relativistische Verständnis des Universums, das Einstein uns gegeben hat, mit Theorien über ein Quantenvakuum zu kombinieren, stoßen sie auf Probleme.

Ein solches Problem besteht darin, dass immer dann, wenn Forscher versuchen, Beobachtungen zur Annäherung an die kosmologische Konstante zu verwenden, der von ihnen berechnete Wert viel kleiner ist als das, was sie aufgrund anderer Teile der Theorie erwarten würden. Wichtig ist, dass der Wert ziemlich stark springt, je nachdem, wie viele Details Sie in die Annäherung einbeziehen, anstatt auf einen festen Wert getrieben zu werden. Diese ständige Herausforderung ist als das Problem der kosmologischen Konstante oder manchmal als „Vakuumkatastrophe“ bekannt.

„Das ist die größte – bei weitem die größte – Diskrepanz zwischen einer Messung und dem, was wir theoretisch vorhersagen können“, sagt Parhizkar. “Es bedeutet, dass etwas nicht stimmt.”

Da Moiré-Muster große Skalenunterschiede erzeugen können, wirken Moiré-Effekte wie eine natürliche Linse, durch die das Problem betrachtet werden kann. Galitski und Parhizkar erstellten ein mathematisches Modell (sie nennen es Moiré-Schwerkraft), indem sie zwei Versionen von Einsteins Theorie, wie sich das Universum im Laufe der Zeit verändert, nahmen und zusätzliche Begriffe in die Mathematik einführten, die eine Interaktion der beiden Versionen ermöglichen. Anstatt Energie- und Längenskalen in Graphen zu betrachten, betrachteten sie kosmische Konstanten und Längen in Universen.

Diese Idee entstand spontan, als sie an einem scheinbar unabhängigen Projekt arbeiteten, das von der John Templeton Foundation finanziert wurde und sich auf die Untersuchung hydrodynamischer Strömungen in Graphen und anderen Materialien konzentrierte, um astrophysikalische Phänomene zu simulieren, sagt Galitsky.

Indem sie mit ihrem Modell spielten, zeigten sie, dass zwei interagierende Welten mit großen kosmologischen Konstanten das Verhalten überschreiten können, das von einzelnen kosmologischen Konstanten erwartet wird. Die Wechselwirkungen erzeugen Verhaltensweisen, die von einer gemeinsamen effektiven kosmologischen Konstante bestimmt werden, die viel kleiner ist als die individuellen Konstanten. Die Berechnung der effektiven kosmologischen Konstante überwindet das Problem der Forscher, dass der Wert ihrer Konvergenzen springt, weil sich die Einflüsse der beiden Universen im Modell im Laufe der Zeit gegenseitig aufheben.

„Wir behaupten nie, dass dies das Problem der kosmologischen Konstante löst“, sagt Parhizkar. „Das ist eine ziemlich arrogante Behauptung, um ehrlich zu sein. Es ist nur eine gute Idee, dass, wenn Sie zwei Universen haben, die riesige kosmologische Konstanten haben – etwa 120 Größenordnungen größer als das, was wir beobachten – und wenn Sie sie kombinieren, es immer noch eine Chance gibt Sie können eine wirklich kleine effektive kosmologische Konstante von ihnen erhalten.” “.

In der anfänglichen Folgearbeit begannen Galitski und Parhizkar, auf dieser neuen Perspektive aufzubauen, indem sie in ein detaillierteres Modell eines Paares interagierender Welten eintauchten – die sie „binäre Welten“ nennen. Jede dieser Welten ist nach unseren normalen Maßstäben eine eigene Welt, und jede ist mit identischen Kombinationen aller Materialien und Felder gefüllt. Da die Mathematik dies erlaubte, schlossen sie auch die Felder ein, die beide Welten gleichzeitig bewohnten, die sie “Amphibienfelder” nannten.

Das neue Modell lieferte zusätzliche Ergebnisse, die die Forscher interessant fanden. Als sie die Mathematik zusammenstellten, stellten sie fest, dass ein Teil des Modells wichtigen Feldern ähnelte, die Teil der Realität sind. Das detailliertere Modell deutet immer noch darauf hin, dass zwei Welten eine kleine kosmologische Konstante erklären können, und liefert Details darüber, wie eine solche binäre Welt der kosmischen Hintergrundstrahlung – dem Licht, das seit den frühesten Zeiten im Universum überlebt hat – eine unverwechselbare Signatur aufprägen könnte.

Diese Signatur kann in realen Messungen gesehen – oder nie gesehen – werden. Zukünftige Experimente können also bestimmen, ob diese einzigartige, von Graphen inspirierte Perspektive mehr Aufmerksamkeit verdient oder nur eine interessante Neuheit im Spielzeugkorb der Physiker ist.

„Wir haben nicht alle Effekte untersucht – was schwierig ist, aber die Theorie ist empirisch widerlegt, was gut ist“, sagt Parhizkar. „Wenn es keine Fälschung ist, ist es sehr interessant, weil es das Problem der kosmologischen Konstante löst und gleichzeitig viele andere wichtige Teile der Physik beschreibt. Ich persönlich habe keine großen Hoffnungen darauf – ich denke, es ist eigentlich zu groß, um wahr zu sein.“


Hundertjahrfeier der kosmologischen Konstante Lambda


Mehr Informationen:
Alireza Parhizkar et al, Gespanntes Bilayer-Graphen, Emerging Energy Measurements und Ripple Gravity, Physikalische Überprüfungsforschung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L022027

Alireza Parhizkar, Victor Galitsky, Moiré-Schwerkraft und Kosmologie. arXiv: 2204.06574v1 [hep-th]arxiv.org/abs/2204.06574

Vorstellung des Joint Quantum Institute

das Zitat: Bilayer graphene inspires a cosmological model of cosmological (2022, 6. Mai) Abgerufen am 7. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-bilayer-graphene-two-universe-cosmological.html

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