物理學(xué)家有時會想出一些聽起來像科幻小說的怪誕故事。然而，有些故事被證明是真實的，比如愛因斯坦描述的空間和時間的曲率最終被天文測量所證實。其他的則僅僅是作為一種可能性或數(shù)學(xué)上的好奇心。在《物理評論研究》的一篇新論文中，聯(lián)合量子研究所(JQI)研究員Victor Galitski和JQI研究生Alireza Parhizkar研究了一種富有想象力的可能性，即我們的現(xiàn)實世界只是兩個互動世界的一半。

他們的數(shù)學(xué)模型可能為研究現(xiàn)實的基本方面提供了一個新的視角--包括為什么我們的宇宙會以這樣的方式膨脹，以及這與量子力學(xué)中允許的最微小的長度有什么關(guān)系。這些話題對于理解我們的宇宙至關(guān)重要，也是現(xiàn)代物理學(xué)偉大謎團之一的一部分。

這兩位科學(xué)家在研究完全不同的東西時偶然提出了這個新觀點，即對石墨烯片的研究。他們意識到，對堆疊的石墨烯片的電性能進行的實驗產(chǎn)生了類似于小宇宙的結(jié)果，而且這種基本現(xiàn)象可能會普及到物理學(xué)的其他領(lǐng)域。在堆疊的石墨烯中，新的電學(xué)行為產(chǎn)生于各個片材之間的相互作用，因此，也許獨特的物理學(xué)也可以從其他地方的相互作用的層中出現(xiàn)--也許在關(guān)于整個宇宙的宇宙學(xué)理論中。

“我們認(rèn)為這是一個令人興奮和雄心勃勃的想法，”Galitski說，他也是物理系的切薩皮克理論物理講座教授。“從某種意義上說，它通過自然地‘預(yù)測’我們宇宙的基本特征，如我們在后續(xù)預(yù)印本中描述的通貨膨脹和黑格斯粒子(Higgs particle)，效果如此之好，這幾乎令人懷疑。”

疊層石墨烯的特殊電學(xué)特性以及與我們的現(xiàn)實有一個“雙胞胎”的可能聯(lián)系，來自于被稱為摩爾紋的圖案所產(chǎn)生的特殊物理學(xué)。當(dāng)兩個重復(fù)的圖案--從石墨烯片中的六邊形原子到窗紗的網(wǎng)格--重疊在一起，其中一個層被扭曲、偏移或拉伸時，就會形成摩爾紋圖案。

出現(xiàn)的圖案可以在與底層圖案相比的巨大長度上重復(fù)。在石墨烯堆棧中，新的圖案改變了片狀物的物理特性，特別是電子的行為。在被稱為“魔角石墨烯”的特殊情況下，摩爾紋圖案重復(fù)的長度大約是單個薄片圖案長度的52倍，而控制電子行為的能級急劇下降，允許新的行為，包括超導(dǎo)性。

Galitski和Parhizkar意識到，兩片石墨烯中的物理學(xué)可以被重新解釋為兩個二維宇宙的物理學(xué)，其中電子偶爾會在宇宙間跳躍。這啟發(fā)了兩位研究人員將數(shù)學(xué)推廣到由任何數(shù)量的維度組成的宇宙，包括我們自己的四維宇宙，并探索由摩爾紋產(chǎn)生的類似現(xiàn)象是否會出現(xiàn)在物理學(xué)的其他領(lǐng)域。這開啟了一條探索之路，使他們面對宇宙學(xué)中的一個主要問題。

“我們討論了當(dāng)兩個真實的宇宙凝聚成一個時，我們是否可以觀察到摩爾紋物理學(xué)，”Parhizkar說。“當(dāng)你問這個問題時，你想尋找什么?首先，你必須知道每個宇宙的長度尺度。”

長度尺度--或者說一般的物理值的標(biāo)度--描述了與你所看的任何東西相關(guān)的準(zhǔn)確度的水平。如果你要近似測量一個原子的大小，那么百億分之一米就很重要，但如果你要測量一個足球場，這個尺度就沒有用了，因為它是在另一個尺度上。物理學(xué)理論對一些最小和最大的尺度進行了基本限制，這些尺度在我們的方程中是有意義的。

Galitski和Parhizkar所關(guān)注的宇宙尺度被稱為普朗克長度，它定義了符合量子物理學(xué)的最小長度。普朗克長度與愛因斯坦廣義相對論場方程中的一個常數(shù)--宇宙學(xué)常數(shù)直接相關(guān)。在方程中，這個常數(shù)影響著宇宙--在引力的影響之外--是否傾向于膨脹或收縮。

這個常數(shù)是我們的宇宙的根本。因此，為了確定其數(shù)值，科學(xué)家們在理論上只需要觀察宇宙，測量一些細(xì)節(jié)，如星系相互移動的速度，將所有的東西插入方程并計算出常數(shù)必須是什么。

這個直截了當(dāng)?shù)挠媱澯龅搅艘粋€問題，因為我們的宇宙同時包含了相對論和量子效應(yīng)。即使是在宇宙學(xué)的尺度上，跨越巨大的空間真空的量子波動效應(yīng)也應(yīng)該影響行為。但是當(dāng)科學(xué)家們試圖把愛因斯坦給我們的對宇宙的相對論理解與關(guān)于量子真空的理論結(jié)合起來時，他們遇到了問題。

其中一個問題是，每當(dāng)研究人員試圖使用觀測數(shù)據(jù)來接近宇宙學(xué)常數(shù)時，他們計算出的數(shù)值要比他們根據(jù)理論的其他部分所預(yù)期的小得多。更重要的是，根據(jù)他們在近似值中所包含的細(xì)節(jié)的多少，這個值會急劇跳動，而不是集中在一個一致的值上。這個揮之不去的挑戰(zhàn)被稱為宇宙常數(shù)問題，或有時被稱為“真空災(zāi)難”。

“這是最大的--迄今為止最大的--測量和我們可以通過理論預(yù)測的結(jié)果之間的不一致，”Parhizkar說。“這意味著有些東西是錯誤的。”

由于摩爾紋圖案可以產(chǎn)生巨大的尺度差異，摩爾紋效應(yīng)似乎是看待這個問題的一個自然鏡頭。Galitski和Parhizkar創(chuàng)建了一個數(shù)學(xué)模型(他們稱之為摩爾紋引力)，將愛因斯坦關(guān)于宇宙如何隨時間變化的理論分成兩份，并在數(shù)學(xué)中引入額外條款，讓這兩份理論相互作用。他們不是在看石墨烯的能量和長度尺度，而是在看宇宙的宇宙學(xué)常數(shù)和長度。

Galitski說，這個想法是他們在從事一個看似無關(guān)的項目時自發(fā)產(chǎn)生的，該項目由約翰·坦普爾頓基金會資助，主要研究石墨烯和其他材料中的流體力學(xué)流動，以模擬天體物理現(xiàn)象。

通過分析他們的模型，他們表明，兩個具有大宇宙學(xué)常數(shù)的互動世界可以推翻來自單個宇宙學(xué)常數(shù)的預(yù)期行為。相互作用產(chǎn)生的行為受一個共享的有效宇宙學(xué)常數(shù)支配，這個常數(shù)比單個常數(shù)小得多。對有效宇宙學(xué)常數(shù)的計算規(guī)避了研究人員對其近似值跳動的問題，因為隨著時間的推移，模型中兩個宇宙的影響會相互抵消。

“我們并沒有聲稱--永遠(yuǎn)--這解決了宇宙學(xué)常數(shù)問題，”Parhizkar說。“說實話，那是一個非常傲慢的說法。這只是一個很好的見解，如果你有兩個具有巨大宇宙常數(shù)的宇宙，比如比我們觀察到的大120個數(shù)量級，如果你把它們結(jié)合起來，仍然有機會從它們中得到一個非常小的有效宇宙常數(shù)。”

在初步的后續(xù)工作中，Galitski和Parhizkar已經(jīng)開始在這個新論點的基礎(chǔ)上，深入研究兩個相互作用的世界的更詳細(xì)的模型--他們稱之為“雙世界”。按照我們的正常標(biāo)準(zhǔn)，這些世界中的每一個都是一個獨立的完整世界，并且每一個都充滿了所有物質(zhì)和場的匹配集合。由于數(shù)學(xué)允許，他們還包括同時生活在兩個世界的場，他們稱之為“兩棲場”。

新的模型產(chǎn)生了研究人員認(rèn)為耐人尋味的額外結(jié)果。當(dāng)他們把數(shù)學(xué)放在一起時，他們發(fā)現(xiàn)該模型的一部分看起來像現(xiàn)實中的重要場。更詳細(xì)的模型仍然表明，兩個世界可以解釋一個小的宇宙學(xué)常數(shù)，并提供了關(guān)于這樣一個“雙世界”如何在宇宙背景輻射上印下一個明顯的簽名的細(xì)節(jié)--從宇宙最早的時候就一直存在的光。

在現(xiàn)實世界的測量中，這種特征可能會被看到--或者肯定不會被看到。因此，未來的實驗可以確定這種由石墨烯激發(fā)的獨特視角是否值得更多關(guān)注，或者僅僅是物理學(xué)家玩具箱中的一個有趣的新東西。

“我們還沒有探索所有的影響--這是一件很難的事情，但是這個理論在實驗上是可以被證偽的，這是一件好事，”Parhizkar說。“如果它沒有被證偽，那么它就非常有趣，因為它解決了宇宙學(xué)常數(shù)問題，同時描述了物理學(xué)的許多其他重要部分。我個人對此不抱希望--我認(rèn)為它實際上大得不真實。”

標(biāo)簽： 物理學(xué)家 現(xiàn)實世界 兩個相互作用 世界的一半