Bilayer graphene memberi inspirasi kepada model kosmologi dua alam semesta

Lembaran graphene melengkung dan terbentang yang diletakkan di atas helaian melengkung lain mencipta corak baharu yang memberi kesan kepada cara elektrik bergerak melalui helaian. Model baharu mencadangkan bahawa fizik yang serupa mungkin muncul jika dua alam semesta bersebelahan dapat berinteraksi. Kredit: Alireza Parhizkar, JQI

Ahli fizik kadangkala menghasilkan cerita gila yang terdengar seperti fiksyen sains. Ada yang ternyata benar, seperti bagaimana kelengkungan ruang dan masa yang diterangkan oleh Einstein akhirnya ditanggung oleh ukuran astronomi. Yang lain kekal sebagai kemungkinan semata-mata atau rasa ingin tahu matematik.

Dalam kertas baru dalam Kajian Kajian Fizikal, Felo JQI Victor Galitski dan pelajar siswazah JQI Alireza Parhizkar telah meneroka kemungkinan imaginatif bahawa realiti kita hanyalah separuh daripada sepasang dunia yang berinteraksi. mereka model matematik mungkin memberikan perspektif baharu untuk melihat ciri asas realiti—termasuk sebab alam semesta kita mengembang dengan cara ia dan bagaimana ia berkaitan dengan panjang paling kecil yang dibenarkan dalam mekanik kuantum. Topik-topik ini penting untuk memahami alam semesta kita dan merupakan sebahagian daripada salah satu misteri besar moden fizik.

Sepasang saintis itu terjumpa perspektif baharu ini apabila mereka mengkaji penyelidikan ke atas kepingan graphene—lapisan atom tunggal karbon dalam proses berulang. corak heksagon. Mereka menyedari bahawa eksperimen pada sifat elektrik kepingan graphene bertindan menghasilkan keputusan yang kelihatan seperti alam semesta kecil dan fenomena asas mungkin umum kepada bidang fizik yang lain. Dalam timbunan graphene, tingkah laku elektrik baharu timbul daripada interaksi antara helaian individu, jadi mungkin fizik unik juga boleh muncul daripada lapisan berinteraksi di tempat lain—mungkin dalam teori kosmologi tentang seluruh alam semesta.

“Kami fikir ini adalah idea yang menarik dan bercita-cita tinggi, ” kata Galitski, yang juga Profesor Kerusi Chesapeake Fizik Teori di Jabatan Fizik. “Dalam satu segi, ia hampir mencurigakan bahawa ia berfungsi dengan baik dengan secara semula jadi ‘meramalkan’ ciri-ciri asas alam semesta kita seperti inflasi dan zarah Higgs seperti yang kami nyatakan dalam pracetak susulan.”

Luar biasa graphene bertindan sifat elektrik dan kemungkinan sambungan kepada realiti kita mempunyai kembar datang daripada fizik khas yang dihasilkan oleh corak yang dipanggil corak moiré. Corak Moiré terbentuk apabila dua corak berulang—apa-apa sahaja daripada heksagon atom dalam helaian graphene ke grid skrin tetingkap—bertindih dan salah satu lapisan dipintal, diimbangi atau diregangkan.

Corak yang muncul boleh berulang pada panjang yang luas berbanding dengan corak asas. Dalam susunan graphene, corak baharu mengubah fizik yang dimainkan dalam helaian, terutamanya tingkah laku elektron. Dalam kes khas yang dipanggil “grafena sudut ajaib,” corak moiré berulang sepanjang panjang kira-kira 52 kali lebih panjang daripada panjang corak helaian individu, dan tahap tenaga yang mengawal tingkah laku elektron menurun dengan mendadak, membenarkan tingkah laku baharu , termasuk superkonduktiviti.

Galitski dan Parhizkar menyedari bahawa fizik dalam dua helaian graphene boleh ditafsir semula sebagai fizik dua alam semesta dua dimensi di mana elektron kadangkala melompat antara alam semesta. Ini memberi inspirasi kepada pasangan itu untuk membuat generalisasi matematik untuk digunakan pada alam semesta yang diperbuat daripada sebarang bilangan dimensi, termasuk dimensi empat dimensi kita sendiri, dan untuk meneroka sama ada fenomena serupa yang terhasil daripada corak moiré mungkin muncul dalam bidang fizik yang lain. Ini memulakan barisan siasatan yang membawa mereka berhadapan dengan salah satu masalah utama dalam kosmologi.

“Kami membincangkan sama ada kami boleh memerhati fizik moiré apabila dua alam semesta sebenar bergabung menjadi satu,” kata Parhizkar. “Apa yang anda mahu cari apabila anda bertanya soalan ini? Mula-mula anda perlu mengetahui skala panjang setiap alam semesta.”

Skala panjang—atau skala nilai fizikal secara amnya—menghuraikan tahap ketepatan yang berkaitan dengan apa sahaja yang anda lihat. Jika anda menganggarkan saiz atom, maka sepuluh bilion meter penting, tetapi skala itu tidak berguna jika anda mengukur padang bola kerana ia pada skala yang berbeza. Teori fizik meletakkan had asas pada beberapa skala terkecil dan terbesar yang masuk akal dalam persamaan kita.

Skala alam semesta yang melibatkan Galitski dan Parhizkar dipanggil panjang Planck, dan ia mentakrifkan panjang terkecil yang konsisten dengan fizik kuantum. Panjang Planck berkait secara langsung dengan pemalar—dipanggil pemalar kosmologi—yang termasuk dalam persamaan medan kerelatifan am Einstein. Dalam persamaan, pengaruh pemalar sama ada alam semesta—di luar pengaruh graviti—cenderung mengembang atau mengecut.

Pemalar ini adalah asas kepada alam semesta kita. Jadi untuk menentukan nilainya, para saintis, secara teori, hanya perlu melihat alam semesta, mengukur beberapa butiran, seperti berapa pantas galaksi bergerak menjauhi satu sama lain, memasukkan segala-galanya ke dalam persamaan dan mengira pemalar yang mesti ada.

Pelan mudah ini menghadapi masalah kerana alam semesta kita mengandungi kedua-dua relativistik dan kesan kuantum. Kesan turun naik kuantum merentasi vakum ruang yang luas harus mempengaruhi tingkah laku walaupun pada skala kosmologi. Tetapi apabila saintis cuba menggabungkan pemahaman relativistik alam semesta yang diberikan kepada kita oleh Einstein dengan teori tentang vakum kuantum, mereka menghadapi masalah.

Salah satu masalah tersebut ialah apabila penyelidik cuba menggunakan pemerhatian untuk menganggarkan pemalar kosmologi, nilai yang mereka kira adalah jauh lebih kecil daripada yang mereka jangkakan berdasarkan bahagian lain teori. Lebih penting lagi, nilai itu melonjak secara mendadak bergantung pada jumlah butiran yang disertakan dalam anggaran dan bukannya bergantung pada nilai yang konsisten. Cabaran yang berlarutan ini dikenali sebagai masalah berterusan kosmologi, atau kadangkala “malapetaka vakum.”

“Ini adalah ketidakkonsistenan terbesar-sejauh ini terbesar-antara pengukuran dan perkara yang boleh kita ramalkan melalui teori,” kata Parhizkar. “Ini bermakna ada sesuatu yang tidak kena.”

Memandangkan corak moiré boleh menghasilkan perbezaan dramatik dalam skala, kesan moiré kelihatan seperti kanta semula jadi untuk melihat masalah tersebut. Galitski dan Parhizkar mencipta model matematik (yang mereka panggil graviti moiré) dengan mengambil dua salinan teori Einstein tentang bagaimana alam semesta berubah dari semasa ke semasa dan memperkenalkan istilah tambahan dalam matematik yang membenarkan dua salinan itu berinteraksi. Daripada melihat skala tenaga dan panjang dalam graphene, mereka melihat pemalar dan panjang kosmologi di alam semesta.

Galitski mengatakan bahawa idea ini timbul secara spontan apabila mereka sedang mengusahakan projek yang kelihatan tidak berkaitan yang dibiayai oleh Yayasan John Templeton dan memberi tumpuan kepada mengkaji aliran hidrodinamik dalam graphene dan bahan lain untuk mensimulasikan fenomena astrofizik.

Bermain dengan model mereka, mereka menunjukkan bahawa dua dunia yang berinteraksi dengan pemalar kosmologi yang besar boleh mengatasi tingkah laku yang diharapkan daripada pemalar kosmologi individu. Interaksi menghasilkan tingkah laku yang dikawal oleh pemalar kosmologi berkesan bersama yang jauh lebih kecil daripada pemalar individu. Pengiraan untuk pemalar kosmologi berkesan mengelakkan masalah penyelidik dengan nilai anggaran mereka melompat-lompat kerana dari masa ke masa pengaruh dari dua alam semesta dalam model membatalkan satu sama lain.

“Kami tidak mendakwa—sekali-kali—bahawa ini menyelesaikan masalah berterusan kosmologi,” kata Parhizkar. “Itu dakwaan yang sangat angkuh, sejujurnya. Ini hanyalah pandangan yang bagus bahawa jika anda mempunyai dua alam semesta dengan pemalar kosmologi yang besar-seperti 120 pesanan magnitud lebih besar daripada apa yang kita perhatikan-dan jika anda menggabungkannya, masih ada peluang bahawa anda boleh mendapatkan pemalar kosmologi berkesan yang sangat kecil daripada mereka.”

Dalam kerja susulan awal, Galitski dan Parhizkar telah mula membina perspektif baharu ini dengan menyelami model yang lebih terperinci bagi sepasang dunia yang berinteraksi—yang mereka namakan sebagai “dunia dua”. Setiap dunia ini adalah dunia yang lengkap dengan sendirinya mengikut piawaian biasa kita, dan setiap satu dipenuhi dengan set padanan semua jirim dan medan. Memandangkan matematik membenarkannya, mereka juga memasukkan bidang yang hidup secara serentak di kedua-dua dunia, yang mereka namakan “medan amfibia.”

Model baharu itu menghasilkan hasil tambahan yang menurut para penyelidik menarik. Semasa mereka menyusun matematik, mereka mendapati bahawa sebahagian daripada model kelihatan seperti bidang penting yang merupakan sebahagian daripada realiti. Model yang lebih terperinci masih menunjukkan bahawa dua dunia boleh menerangkan pemalar kosmologi yang kecil dan memberikan butiran tentang bagaimana dunia dwi-dunia tersebut mungkin mencetak tandatangan yang berbeza pada sinaran latar belakang kosmik-cahaya yang masih ada sejak zaman terawal dalam Alam semesta.

Tandatangan ini mungkin boleh dilihat—atau pasti tidak dapat dilihat—dalam ukuran dunia sebenar. Jadi eksperimen masa depan boleh menentukan sama ada perspektif unik yang diilhamkan oleh graphene ini patut diberi perhatian lebih atau sekadar kebaharuan yang menarik dalam tong mainan ahli fizik.

“Kami belum meneroka semua kesan-itu perkara yang sukar untuk dilakukan, tetapi teori itu boleh dipalsukan secara eksperimen, yang merupakan perkara yang baik,” kata Parhizkar. “Jika ia tidak dipalsukan, maka ia sangat menarik kerana ia menyelesaikan masalah pemalar kosmologi masalah sambil menerangkan banyak bahagian penting fizik yang lain. Saya secara peribadi tidak menaruh harapan untuk itu— saya fikir ia sebenarnya terlalu besar untuk menjadi kenyataan.”


Seratus tahun lambda pemalar kosmologi


Maklumat lanjut:
Alireza Parhizkar et al, Grafena dwilapisan tegang, skala tenaga yang timbul, dan graviti moiré, Kajian Kajian Fizikal (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L022027

Alireza Parhizkar, Victor Galitski, Graviti Moiré dan Kosmologi. arXiv:2204.06574v1 [hep-th], arxiv.org/abs/2204.06574

Disediakan oleh
Institut Kuantum Bersama


Petikan: Bilayer graphene mengilhamkan model kosmologi dua alam semesta (2022, 6 Mei) diambil 7 Mei 2022 daripada

Dokumen ini tertakluk kepada hak cipta. Selain daripada sebarang urusan adil untuk tujuan kajian atau penyelidikan persendirian, tiada bahagian boleh diterbitkan semula tanpa kebenaran bertulis. Kandungan disediakan untuk tujuan maklumat sahaja.

We would love to give thanks to the author of this article for this remarkable material

Bilayer graphene memberi inspirasi kepada model kosmologi dua alam semesta


Discover our social media profiles as well as the other related pageshttps://paw6.info/related-pages/