Dvisluoksnis grafenas įkvepia dviejų visatų kosmologinį modelį


Dvisluoksnis grafenas įkvepia dviejų visatų kosmologinį modelį

Išlenktas ir ištemptas grafeno lakštas, esantis ant kito lenkto lakšto, sukuria naują raštą, kuris daro įtaką elektros judėjimui per lakštus. Naujas modelis rodo, kad panaši fizika gali atsirasti, jei dvi gretimos visatos galės sąveikauti. Kreditas: Alireza Parhizkar, JQI

Fizikai kartais sugalvoja beprotiškų istorijų, kurios skamba kaip mokslinė fantastika. Kai kurie pasirodo esą tiesa, pavyzdžiui, kaip Einšteino aprašytas erdvės ir laiko kreivumas galiausiai buvo patvirtintas astronominiais matavimais. Kiti lieka tik galimybėmis arba matematiniais įdomybėmis.

Naujame leidinyje Fizinės apžvalgos tyrimai, JQI kolega Viktoras Galitskis ir JQI absolventas Alireza Parhizkar ištyrė vaizduotę, kad mūsų tikrovė yra tik pusė sąveikaujančių pasaulių poros. Jų matematinis modelis gali suteikti naują perspektyvą pažvelgti į pagrindines tikrovės ypatybes, įskaitant tai, kodėl mūsų visata plečiasi taip, kaip ji plečiasi ir kaip tai susiję su mažiausiais ilgiais, kuriuos leidžia kvantinė mechanika. Šios temos yra labai svarbios norint suprasti mūsų visatą ir yra vienos iš didžiausių šiuolaikinio pasaulio paslapčių dalis fizika.

Pora mokslininkų suklupo šią naują perspektyvą, kai tyrinėjo grafeno lakštus – pavienius atominius anglies sluoksnius pasikartojančiame šešiakampis raštas. Jie suprato, kad eksperimentai su sukrautų grafeno lakštų elektrinėmis savybėmis davė rezultatus, kurie atrodė kaip mažos visatos, ir kad pagrindinis reiškinys gali apibendrinti ir kitas fizikos sritis. Grafeno krūvelėse naujas elektrinis elgesys atsiranda dėl sąveikos tarp atskirų lakštų, todėl galbūt unikali fizika galėtų panašiai atsirasti iš sąveikaujančių sluoksnių kitur – galbūt kosmologinėse teorijose apie visą visatą.

„Manome, kad tai įdomi ir ambicinga idėja“, – sako Galitskis, kuris taip pat yra Chesapeake’o katedros teorinės fizikos profesorius Fizikos katedroje. „Tam tikra prasme beveik įtartina, kad jis taip gerai veikia natūraliai „numatydamas“ pagrindinius mūsų visatos bruožus, tokius kaip infliacija ir Higgso dalelė, kaip aprašėme tolesniame išankstiniame spaudinyje.

Sukrautas grafenas yra išskirtinis elektrines savybes ir galimas ryšys su mūsų tikrove, turint dvynį, kyla iš specialios fizikos, kurią sukuria modeliai, vadinami muaro raštais. Muaro raštai susidaro, kai du pasikartojantys raštai – nuo ​​atomų šešiakampių grafeno lakštuose iki langų ekranų tinklelių – persidengia ir vienas iš sluoksnių yra susuktas, poslinkis arba ištemptas.

Atsirandantys raštai gali kartotis per ilgus, kurie yra dideli, palyginti su pagrindiniais raštais. Grafeno krūvelėse nauji modeliai keičia fiziką, kuri pasireiškia lapuose, ypač elektronų elgesį. Ypatingu atveju, vadinamu „stebuklingo kampo grafenu“, muaro raštas kartojasi maždaug 52 kartus ilgiau nei atskirų lapų rašto ilgis, o energijos lygis, valdantis elektronų elgseną, staigiai krenta, todėl atsiranda naujų elgsenų. , įskaitant superlaidumą.

Galitskis ir Parhizkaras suprato, kad fiziką dviejuose grafeno lakštuose galima iš naujo interpretuoti kaip dviejų dvimačių visatų, kuriose elektronai retkarčiais šokinėja tarp visatų, fizika. Tai paskatino porą apibendrinti matematiką, kad ji būtų pritaikyta visatoms, sudarytoms iš bet kokio skaičiaus matmenų, įskaitant mūsų pačių keturmatę, ir ištirti, ar panašus reiškinys, atsirandantis dėl muaro modelių, gali atsirasti kitose fizikos srityse. Taip prasidėjo tyrimų linija, kurios metu jie susidūrė su viena iš pagrindinių kosmologijos problemų.

„Aptarėme, ar galime stebėti muaro fiziką, kai dvi tikros visatos susilieja į vieną“, – sako Parhizkaras. “Ko norite ieškoti, kai užduodate šį klausimą? Pirmiausia turite žinoti kiekvienos visatos ilgio skalę.”

Ilgio skalė (arba apskritai fizinės vertės skalė) apibūdina, koks tikslumo lygis yra susijęs su tuo, ką žiūrite. Jei apytiksliai apskaičiuojate atomo dydį, dešimt milijardų metro yra svarbios, bet ta skalė nenaudinga, jei matuojate futbolo aikštę, nes ji yra kitokioje skalėje. Fizikos teorijos nustato esmines ribas kai kurioms mažiausioms ir didžiausioms skalėms, kurios turi prasmę mūsų lygtyse.

Visatos skalė, kuri buvo susijusi su Galitskiu ir Parhizkaru, vadinama Planko ilgiu ir apibrėžia mažiausią ilgį, atitinkantį kvantinę fiziką. Planko ilgis yra tiesiogiai susijęs su konstanta, vadinama kosmologine konstanta, kuri įtraukta į Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos lauko lygtis. Lygtyse konstanta įtakoja, ar visata – už gravitacinio poveikio ribų – yra linkusi plėstis ar trauktis.

Ši konstanta yra esminė mūsų visatoje. Taigi, norėdami nustatyti jo vertę, mokslininkams teoriškai tereikia pažvelgti į visatą, išmatuoti keletą detalių, pavyzdžiui, kaip greitai galaktikos tolsta viena nuo kitos, viską sujungti į lygtis ir apskaičiuoti, kokia turi būti konstanta.

Šis paprastas planas susiduria su problema, nes mūsų visatoje yra ir reliatyvistinių, ir kvantiniai efektai. Kvantinių svyravimų poveikis didžiuliame erdvės vakuume turėtų turėti įtakos elgesiui net kosmologiniu mastu. Tačiau kai mokslininkai bando derinti reliatyvistinį visatos supratimą, kurį mums suteikė Einšteinas, su kvantinio vakuumo teorijomis, jie susiduria su problemomis.

Viena iš tų problemų yra ta, kad kai tyrinėtojai bando naudoti stebėjimus, kad apytiksliai apskaičiuotų kosmologinę konstantą, jų apskaičiuota vertė yra daug mažesnė, nei jie tikėtųsi remdamiesi kitomis teorijos dalimis. Dar svarbiau, kad vertė smarkiai šokteli, priklausomai nuo to, kiek detalių jie įtraukė į apytikslę vertę, o ne nuosekliai. Šis nuolatinis iššūkis žinomas kaip nuolatinė kosmologinė problema arba kartais „vakuuminė katastrofa“.

„Tai yra didžiausias – pats didžiausias – neatitikimas tarp matavimo ir to, ką galime numatyti pagal teoriją“, – sako Parhizkaras. „Tai reiškia, kad kažkas negerai“.

Kadangi muaro raštai gali sukelti dramatiškus mastelių skirtumus, muaro efektai atrodė kaip natūralus objektyvas, per kurį galima pamatyti problemą. Galitskis ir Parhizkaras sukūrė matematinį modelį (kurį jie vadina muaro gravitacija), paėmę dvi Einšteino teorijos, kaip visata keičiasi laikui bėgant, kopijas ir įvesdami papildomų matematikos terminų, leidžiančių abiem kopijoms sąveikauti. Užuot žiūrėję į grafeno energijos ir ilgio skales, jie žiūrėjo į kosmologines konstantas ir ilgius visatose.

Galitskis sako, kad ši idėja kilo spontaniškai, kai jie dirbo su iš pažiūros nesusijusiu projektu, kurį finansuoja John Templeton fondas ir kurio pagrindinis dėmesys skiriamas grafeno ir kitų medžiagų hidrodinaminių srautų tyrimui, siekiant imituoti astrofizinius reiškinius.

Žaisdami su savo modeliu, jie parodė, kad du sąveikaujantys pasauliai su didelėmis kosmologinėmis konstantomis gali nepaisyti laukiamo elgesio, palyginti su atskiromis kosmologinėmis konstantomis. Sąveika sukuria elgesį, kurį valdo bendra veiksminga kosmologinė konstanta, kuri yra daug mažesnė už atskiras konstantas. Efektyviosios kosmologinės konstantos apskaičiavimas apeina tyrėjų problemą, nes jų aproksimacijų vertė šokinėja, nes laikui bėgant modelio dviejų visatų įtaka viena kitą panaikina.

“Mes niekada neteigiame, kad tai išsprendžia nuolatinę kosmologinę problemą”, – sako Parhizkaras. “Tiesą sakant, tai labai arogantiškas teiginys. Tai tiesiog graži įžvalga, kad jei turite dvi visatas su didžiulėmis kosmologinėmis konstantomis, pvz., 120 dydžių kategorijų didesnėmis nei mes stebime, ir jei jas sujungsite, vis tiek yra tikimybė kad iš jų galite gauti labai mažą veiksmingą kosmologinę konstantą.

Atlikdami preliminarų tolesnį darbą, Galitskis ir Parhizkar pradėjo remtis šia nauja perspektyva, pasinerdami į išsamesnį poros sąveikaujančių pasaulių modelį, kurį jie vadina „dvi pasauliais“. Kiekvienas iš šių pasaulių yra atskiras pilnas pasaulis pagal mūsų įprastus standartus ir kiekvienas yra užpildytas atitinkančiais visų medžiagų ir laukų rinkiniais. Kadangi matematika tai leido, jie taip pat apėmė laukus, kurie vienu metu gyveno abiejuose pasauliuose, kuriuos jie pavadino „amfibijų laukais“.

Naujasis modelis davė papildomų rezultatų, tyrėjų nuomone, intriguojančių. Sudėdami matematiką, jie pastebėjo, kad dalis modelio atrodė kaip svarbūs laukai, kurie yra tikrovės dalis. Išsamesnis modelis vis dar rodo, kad du pasauliai gali paaiškinti nedidelę kosmologinę konstantą ir pateikia išsamią informaciją apie tai, kaip toks dvipasaulis pasaulis gali įspausti aiškų ženklą kosminėje foninėje spinduliuotėje – šviesoje, kuri tvyro nuo seniausių laikų. visata.

Šis parašas gali būti matomas arba visiškai nematomas atliekant realaus pasaulio matavimus. Taigi būsimi eksperimentai galėtų nustatyti, ar ši unikali grafeno įkvėpta perspektyva nusipelno daugiau dėmesio, ar tai tik įdomi naujovė fizikų žaislų dėžėje.

„Mes neištyrėme visų padarinių – tai sunku padaryti, tačiau teorija gali būti suklastota eksperimentiškai, o tai yra geras dalykas“, – sako Parhizkaras. „Jei jis nėra suklastotas, tai labai įdomu, nes jis išsprendžia problemą kosmologinė konstanta problema, aprašant daugelį kitų svarbių fizikos dalių. Aš asmeniškai to nesitikiu – manau, kad tai iš tikrųjų per daug, kad būtų tiesa.


Kosmologinės konstantos lambda šimtmetis


Daugiau informacijos:
Alireza Parhizkar ir kt., Įtemptas dvisluoksnis grafenas, atsirandančios energijos skalės ir muaro gravitacija, Fizinės apžvalgos tyrimai (2022). DOI: 10.1103 / PhysRevResearch.4.L022027

Alireza Parhizkar, Viktoras Galitskis, Muaro gravitacija ir kosmologija. arXiv:2204.06574v1 [hep-th], arxiv.org/abs/2204.06574

Citata: Dvisluoksnis grafenas įkvepia dviejų visatų kosmologinį modelį (2022 m., gegužės 6 d.), gautas 2022 m. gegužės 6 d. iš https://phys.org/news/2022-05-bilayer-graphene-two-universe-cosmological.html

Šis dokumentas yra saugomas autorių teisių. Išskyrus bet kokius sąžiningus sandorius privačių studijų ar mokslinių tyrimų tikslais, jokia dalis negali būti atkuriama be raštiško leidimo. Turinys pateikiamas tik informaciniais tikslais.