Zweilagiges Graphen inspiriert kosmologisches Modell mit zwei Universen

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

In einer neuen Zeitung in Physikalische Überprüfungsforschung, JQI-Fellow Victor Galitski und JQI-Doktorand Alireza Parhizkar haben die phantasievolle Möglichkeit erforscht, dass unsere Realität nur die Hälfte zweier interagierender Welten ist. 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 Längen zusammenhängt, die in der Quantenmechanik zulässig sind. Diese Themen sind entscheidend für das Verständnis unseres Universums und Teil eines der großen Mysterien der modernen Physik.

Das Wissenschaftlerpaar stieß auf diese neue Perspektive, als sie sich mit der Erforschung von Graphenschichten beschäftigten – einzelnen atomaren Kohlenstoffschichten in einem sich wiederholenden sechseckigen Muster. Sie erkannten, dass Experimente zu 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 Stapeln von Graphen entstehen neue elektrische Verhaltensweisen aus Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Schichten, so dass vielleicht einzigartige Physik in ähnlicher Weise aus interagierenden Schichten anderswo entstehen könnte – vielleicht in kosmologischen Theorien über das gesamte Universum.

„Wir denken, dass dies eine spannende und ehrgeizige Idee ist“, sagt Galitski, der auch Chesapeake-Lehrstuhl-Professor für Theoretische Physik im Fachbereich Physik ist. „In gewisser Weise ist es fast verdächtig, dass es so gut funktioniert, indem es grundlegende Merkmale unseres Universums wie die Inflation und das Higgs-Teilchen auf natürliche Weise ‚vorhersagt‘, wie wir es in einem nachfolgenden Preprint beschrieben haben.“

Die außergewöhnlichen elektrischen Eigenschaften von gestapeltem Graphen und die mögliche Verbindung zu unserer Realität mit einem Zwilling ergeben sich aus der speziellen Physik, die von Mustern erzeugt wird, die als Moiré-Muster bezeichnet werden. Moiré-Muster entstehen, wenn sich zwei sich wiederholende Muster – von den Sechsecken von Atomen in Graphenschichten bis hin zu den Gittern von Fenstergittern – überlappen und eine der Schichten verdreht, versetzt oder gestreckt wird.

Die entstehenden Muster können sich über Längen wiederholen, die im Vergleich zu den zugrunde liegenden Mustern enorm sind. In Graphenstapeln verändern die neuen Muster die Physik, die sich in den Schichten abspielt, insbesondere das Verhalten der Elektronen. In dem Spezialfall namens „Magic Angle Graphene“ wiederholt sich das Moiré-Muster über eine Länge, die etwa 52-mal länger ist als die Musterlänge der einzelnen Schichten, und das Energieniveau, das das Verhalten der Elektronen bestimmt, fällt steil ab und ermöglicht neue Verhaltensweisen , einschließlich Supraleitung.

Galitski und Parhizkar erkannten, dass die Physik in zwei Graphenschichten als die Physik zweier zweidimensionaler Universen neu interpretiert werden könnte, in denen Elektronen gelegentlich zwischen den 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 unseres eigenen vierdimensionalen, und zu untersuchen, ob ähnliche Phänomene, die aus Moiré-Mustern resultieren, in anderen Bereichen der Physik auftauchen könnten. Damit begann eine Reihe von Untersuchungen, die sie mit einem der Hauptprobleme der Kosmologie konfrontierten.

„Wir haben diskutiert, ob wir Moiré-Physik beobachten können, wenn zwei reale Universen zu einem verschmelzen“, sagt Parhizkar. „Wonach willst du suchen, wenn du diese Frage stellst? Zuerst musst du die Längenskala jedes Universums kennen.“

Eine Längenskala – oder allgemein eine Skala eines physikalischen Werts – beschreibt, welcher Genauigkeitsgrad für das, was Sie betrachten, relevant ist. Wenn Sie die Größe eines Atoms annähern, ist ein Zehnmilliardstel Meter wichtig, aber diese Skala ist nutzlos, wenn Sie ein Fußballfeld messen, weil es sich um eine andere Skala handelt. Physikalische Theorien setzen einigen der kleinsten und größten Skalen, die in unseren Gleichungen Sinn machen, grundlegende Grenzen.

Die Skala des Universums, die Galitski und Parhizkar betraf, wird Planck-Länge genannt und definiert die kleinste Länge, die mit der Quantenphysik vereinbar ist. Die Planck-Länge steht in direktem Zusammenhang mit einer Konstante – der sogenannten kosmologischen Konstante – die in Einsteins Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie enthalten ist. In den Gleichungen beeinflusst die Konstante, ob das Universum – außerhalb von Gravitationseinflüssen – 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, mehrere Details messen, z. B. wie schnell sich Galaxien voneinander entfernen, alles in die Gleichungen einsetzen und berechnen, was die Konstante sein muss.

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

Eines dieser Probleme 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 sie aufgrund anderer Teile der Theorie erwarten würden. Noch wichtiger ist, dass der Wert dramatisch umherspringt, je nachdem, wie viele Details sie in die Annäherung einbeziehen, anstatt auf einen konsistenten Wert zu zielen. Diese anhaltende Herausforderung ist als das Problem der kosmologischen Konstante oder manchmal als „Vakuumkatastrophe“ bekannt.

„Dies ist die größte – bei weitem die größte – Inkonsistenz zwischen Messungen und dem, was wir theoretisch vorhersagen können“, sagt Parhizkar. „Das bedeutet, dass etwas nicht stimmt.“

Da Moiré-Muster dramatische Skalenunterschiede erzeugen können, erschienen Moiré-Effekte wie eine natürliche Linse, um das Problem zu sehen. Galitski und Parhizkar erstellten ein mathematisches Modell (das sie Moiré-Schwerkraft nennen), indem sie zwei Kopien von Einsteins Theorie darüber, wie sich das Universum im Laufe der Zeit verändert, nahmen und zusätzliche Terme in die Mathematik einführten, die die beiden Kopien interagieren ließen. Anstatt die Energie- und Längenskalen in Graphen zu betrachten, betrachteten sie die kosmologischen Konstanten und Längen in Universen.

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

Indem sie mit ihrem Modell spielten, zeigten sie, dass zwei interagierende Welten mit großen kosmologischen Konstanten das erwartete Verhalten der einzelnen kosmologischen Konstanten außer Kraft setzen könnten. 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 umgeht das Problem der Forscher mit dem herumspringenden Wert ihrer Näherungen, weil sich die Einflüsse der beiden Universen im Modell mit der Zeit gegenseitig aufheben.

„Wir behaupten nicht – niemals – dass dies das Problem der kosmologischen Konstante löst“, sagt Parhizkar. „Das ist eine sehr arrogante Behauptung, um ehrlich zu sein. Dies ist nur eine nette Erkenntnis, dass, wenn Sie zwei Universen mit riesigen kosmologischen Konstanten haben – etwa 120 Größenordnungen größer als das, was wir beobachten – und wenn Sie sie kombinieren, es immer noch eine Chance gibt dass man aus ihnen eine sehr kleine effektive kosmologische Konstante herausholen kann.“

In vorläufigen Folgearbeiten haben Galitski und Parhizkar damit begonnen, auf dieser neuen Perspektive aufzubauen, indem sie in ein detaillierteres Modell eines Paares interagierender Welten eintauchten – die sie „Bi-Welten“ nennen. Jede dieser Welten ist nach unseren normalen Maßstäben eine abgeschlossene Welt für sich, und jede ist mit zusammenpassenden Sätzen aller Materie und Felder gefüllt. Da es die Mathematik erlaubte, schlossen sie auch Felder ein, die gleichzeitig in beiden Welten lebten, die sie „Amphibienfelder“ nannten.

Das neue Modell lieferte zusätzliche Ergebnisse, die die Forscher faszinierend finden. Als sie die Mathematik zusammenstellten, stellten sie fest, dass ein Teil des Modells wie wichtige Felder aussah, die Teil der Realität sind. Das detailliertere Modell deutet immer noch darauf hin, dass zwei Welten eine kleine kosmologische Konstante erklären könnten, und liefert Details darüber, wie eine solche Doppelwelt der kosmischen Hintergrundstrahlung eine eindeutige Signatur aufprägen könnte – das Licht, das seit den frühesten Zeiten im Universum vorhanden ist.

Diese Signatur könnte möglicherweise in realen Messungen gesehen werden – oder definitiv nicht gesehen werden. Zukünftige Experimente könnten also bestimmen, ob diese einzigartige, von Graphen inspirierte Perspektive mehr Aufmerksamkeit verdient oder nur eine interessante Neuheit in der Spielzeugkiste der Physiker ist.

„Wir haben nicht alle Effekte untersucht – das ist schwierig, aber die Theorie ist experimentell falsifizierbar, was gut ist“, sagt Parhizkar. „Wenn es nicht falsifiziert ist, dann ist es sehr interessant, weil es das Problem der kosmologischen Konstante löst und gleichzeitig viele andere wichtige Teile der Physik beschreibt. Ich persönlich mache mir da keine Hoffnungen – ich denke, es ist eigentlich zu groß, um wahr zu sein.“