Наша вселенная может быть только половиной пары взаимодействующих миров

Физики иногда придумывают причудливые истории, которые звучат как научная фантастика. Тем не менее, некоторые из них оказываются верными, например такие, как искривление пространства и времени, описанное Эйнштейном, что было в конечном итоге подтверждено астрономическими измерениями. Другие выглядят как простые возможности или математические диковинки.

В новой статье в Physical Review Research научный сотрудник Объединенного квантового института (JQI) Виктор Галицкий и аспирант JQI Алиреза Пархизкар исследовали воображаемую возможность того, что наша реальность — это только половина пары взаимодействующих миров.

Их математическая модель может предложить свежий взгляд на фундаментальные аспекты реальности, в том числе на то, почему наша Вселенная расширяется именно так, как она это делает, и как это соотносится с самыми малыми размерами, допустимыми в квантовой механике. Эти темы имеют решающее значение для понимания нашей Вселенной и являются частью одной из величайших загадок современной физики.

Пара ученых наткнулась на эту новую перспективу, когда они занимались совершенно другим вопросом — исследованием листов графена — отдельных атомных слоев углерода в повторяющемся гексагональном узоре. Они поняли, что эксперименты по изучению электрических свойств сложенных друг на друга листов графена дали результаты, напоминающие маленькие вселенные, и что лежащее в их основе явление может быть распространено на другие области физики.

В стопках графена новое электрическое поведение возникает в результате взаимодействия между отдельными листами, поэтому, возможно, уникальная физика могла бы аналогичным образом появиться из взаимодействующих слоев в другом месте — возможно, в космологических теориях всей Вселенной.

«Мы считаем, что это захватывающая и амбициозная идея», — сказал Виктор Галицкий. «В некотором смысле почти подозрительно, что он работает так хорошо, естественным образом «предсказывая» фундаментальные особенности нашей Вселенной, такие как инфляция и частица Хиггса, как мы описали в последующем препринте».

Исключительные электрические свойства многослойного графена и возможная связь с нашей реальностью, имеющей близнеца, обусловлены особой физикой, создаваемой узорами, называемыми муаровыми узорами. Муаровые узоры образуются, когда два повторяющихся узора — от шестиугольников атомов в графеновых листах до сеток оконных экранов — перекрываются, а один из слоев скручивается, смещается или растягивается.

Возникающие паттерны могут повторяться на протяжении значительно большей длины по сравнению с лежащими в их основе паттернами. В стеках графена новые узоры меняют физику, которая проявляется в листах, особенно поведение электронов. В особом случае, называемом «графеном под магическим углом», муаровый узор повторяется на протяжении примерно в 52 раза больше, чем длина узора отдельных листов, а уровень энергии, определяющий поведение электронов, резко падает, открывая новое поведение, включая сверхпроводимость.

Исследователи поняли, что физику двух листов графена можно интерпретировать как физику двух двумерных вселенных, где электроны время от времени прыгают между вселенными. Это вдохновило их обобщить математику, чтобы применить ее к вселенным, состоящим из любого количества измерений, включая нашу собственную четырехмерную, и исследовать, может ли подобное явление, возникающее в результате муаровых узоров, появиться в других областях физики. Это положило начало линии исследований, которая привела их лицом к лицу с одной из главных проблем космологии.

«Мы обсуждали, можем ли мы наблюдать муаровую физику, когда две реальные вселенные сливаются в одну», — говорит Пархизкар. «На что вы хотите обратить внимание, когда задаете этот вопрос? Сначала вы должны знать масштаб длины каждой вселенной».

Шкала длины — или вообще шкала физического значения — описывает, какой уровень точности имеет отношение к тому, на что вы смотрите. Если вы аппроксимируете размер атома, то десятимиллиардная часть метра имеет значение, но эта шкала бесполезна, если вы измеряете футбольное поле, потому что оно находится в другом масштабе. Физические теории налагают фундаментальные ограничения на некоторые из самых маленьких и самых больших масштабов, которые имеют смысл в уравнениях.

Масштаб Вселенной, который касался Галицкого и Пархизкара, называется планковской длиной, и он определяет наименьшую длину, которая согласуется с квантовой физикой. Планковская длина напрямую связана с постоянной, называемой космологической постоянной, которая входит в уравнения общей теории относительности Эйнштейна. В уравнениях постоянная влияет на то, стремится ли Вселенная — вне гравитационных влияний — расширяться или сжиматься.

Эта константа является фундаментальной для нашей Вселенной. Таким образом, чтобы определить ее значение, ученым в теории достаточно взглянуть на вселенную, измерить несколько деталей, например, как быстрые галактики удаляются друг от друга, подставить все в уравнения и рассчитать, какой должна быть постоянная.

Этот простой план сталкивается с проблемой, потому что наша Вселенная содержит как релятивистские, так и квантовые эффекты. Эффект квантовых флуктуаций в огромном космическом вакууме должен влиять на поведение даже в космологических масштабах. Но когда ученые пытаются совместить релятивистское понимание Вселенной, данное нам Эйнштейном, с теориями о квантовом вакууме, они сталкиваются с проблемами.

Одна из этих проблем заключается в том, что всякий раз, когда исследователи пытаются использовать наблюдения для аппроксимации космологической постоянной, вычисляемое ими значение оказывается намного меньше, чем они могли бы ожидать, основываясь на других частях теории. Что еще более важно, значение резко колеблется в зависимости от того, сколько деталей они включают в аппроксимацию, вместо того, чтобы ориентироваться на постоянное значение. Эта давняя проблема известна как проблема космологической постоянной или иногда «вакуумная катастрофа».

«Это самое большое — безусловно, самое большое — несоответствие между измерениями и тем, что мы можем предсказать с помощью теории», — говорит Пархизкар. — Это значит, что что-то не так».

Поскольку муаровые узоры могут создавать значительные различия в масштабах, муаровые эффекты казались естественной линзой для рассмотрения проблемы. Галицкий и Пархизкар создали математическую модель (которую они назвали муаровой гравитацией), взяв две копии теории Эйнштейна о том, как Вселенная меняется с течением времени, и введя в математику дополнительные термины, которые позволяют двум копиям взаимодействовать. Вместо того, чтобы смотреть на шкалы энергии и длины в графене, они смотрели на космологические константы и длины во вселенных.

Играя со своей моделью, ученые показали, что два взаимодействующих мира с большими космологическими константами могут отвергнуть ожидаемое поведение отдельных космологических констант. Взаимодействия производят поведение, управляемое общей эффективной космологической постоянной, которая намного меньше, чем индивидуальные константы. Вычисление эффективной космологической постоянной позволяет обойти проблему, с которой исследователи столкнулись, когда значения их приближений прыгают, потому что со временем влияния двух вселенных в модели нейтрализуют друг друга.

«Мы никогда не утверждаем, что это решает проблему космологической постоянной», — говорит Пархизкар. «Честно говоря, это очень высокомерное заявление. Это просто хорошее понимание того, что если у вас есть две вселенные с огромными космологическими постоянными — например, на 120 порядков больше, чем мы наблюдаем, — и если вы объедините их, все еще есть шанс получить очень маленькую эффективную космологическую постоянную из них».

В своей работе ученые начали опираться на эту новую перспективу, погрузившись в более подробную модель пары взаимодействующих миров, которую они назвали «двойными мирами». Каждый из этих миров является самодостаточным миром по нашим обычным меркам, и каждый наполнен соответствующими наборами всех материй и полей. Поскольку это позволяла математика, они также включали поля, одновременно жившие в обоих мирах, которые они назвали «амфибийными полями».

Новая модель дала дополнительные результаты, которые исследователи находят интригующими. Собрав воедино математику, они обнаружили, что часть модели выглядит как важные поля, являющиеся частью реальности. Более подробная модель по-прежнему предполагает, что два мира могут объяснить небольшую космологическую постоянную, и предоставляет подробности о том, как такой двойной мир может показывать отчетливую подпись на космическом фоновом излучении — свете, который сохраняется с самых ранних времен во Вселенной.

Эту сигнатуру, возможно, можно было бы увидеть — или определенно не увидеть — в реальных измерениях. Таким образом, будущие эксперименты могут определить, заслуживает ли эта уникальная перспектива, вдохновленная графеном, большего внимания или это просто интересная игрушка для физиков.

«Мы не исследовали все эффекты — это сложно сделать, но теория поддается экспериментальной проверке, и это хорошо», — говорит Пархизкар. «Если это не фальсификация, то это очень интересно, потому что решает проблему космологической постоянной, описывая многие другие важные части мира».

Исследование было опубликовано в Physical Review Research.