Физики говорят, что за пределами нашей реальности может существовать еще одна реальность

Изогнутый и растянутый лист графена, лежащий поверх другого изогнутого листа, создает новый узор, который влияет на то, как электричество движется через листы. Новая модель предполагает, что подобная физика может возникнуть, если две соседние вселенные смогут взаимодействовать. (Кредит: Алиреза Пархизкар, JQI)

Физики иногда придумывают безумные истории, которые звучат как научная фантастика. Некоторые из них оказываются правдой, как, например, то, что кривизна пространства и времени, описанная Эйнштейном, в конечном итоге была подтверждена астрономическими измерениями. Другие остаются лишь возможностью или математическим курьезом.

В новой статье в журнале Physical Review Research научный сотрудник JQI Виктор Галицки и аспирант JQI Алиреза Пархизкар исследовали фантастическую возможность того, что наша реальность - это только одна половина пары взаимодействующих миров. Их математическая модель может дать новый взгляд на фундаментальные особенности реальности - в том числе на то, почему наша Вселенная расширяется так, как она расширяется, и как это связано с самыми ничтожными длинами, допускаемыми квантовой механикой. Эти темы имеют решающее значение для понимания нашей Вселенной и являются частью одной из величайших загадок современной физики.

Пара ученых наткнулась на этот новый взгляд, когда изучала исследования листов графена - отдельных атомных слоев углерода в повторяющемся гексагональном узоре. Они поняли, что эксперименты по изучению электрических свойств сложенных в стопку листов графена дали результаты, напоминающие маленькие вселенные, и что лежащее в их основе явление может распространяться на другие области физики. В стопках графена новые электрические свойства возникают в результате взаимодействия между отдельными листами, поэтому, возможно, уникальная физика может аналогичным образом возникать из взаимодействующих слоев в других местах - возможно, в космологических теориях обо всей Вселенной.

"Мы считаем, что это захватывающая и амбициозная идея", - говорит Галицки, который также является профессором кафедры теоретической физики Чесапикского факультета физики. В некотором смысле, почти подозрительно, что она работает так хорошо, естественным образом "предсказывая" фундаментальные особенности нашей Вселенной, такие как инфляция и частица Хиггса, как мы описали в последующем препринте(ссылка внешняя)".

Исключительные электрические свойства графена и возможная связь с тем, что у нашей реальности есть двойник, обусловлены особой физикой, создаваемой узорами, называемыми муаровыми узорами. Муаровые узоры образуются, когда два повторяющихся рисунка - любые, от шестиугольников атомов в графеновых листах до сеток оконных экранов - накладываются друг на друга, а один из слоев скручивается, смещается или растягивается.

Возникающие при этом узоры могут повторяться на огромных по сравнению с базовыми узорами длинах. В графеновых стопках новые узоры изменяют физику, происходящую в листах, в частности, поведение электронов. В особом случае, называемом "графеном с магическим углом", муаровый узор повторяется на длине, которая примерно в 52 раза больше, чем длина узора отдельных листов, и энергетический уровень, управляющий поведением электронов, резко падает, позволяя проявлять новые свойства, включая сверхпроводимость.

Галицки и Пархизкар поняли, что физика двух листов графена может быть переосмыслена как физика двух двумерных вселенных, в которых электроны периодически перескакивают из одной вселенной в другую. Это вдохновило пару на обобщение математики для применения к вселенным, состоящим из любого количества измерений, включая нашу собственную четырехмерную, а также на изучение того, могут ли подобные явления, возникающие в результате муаровых узоров, проявляться в других областях физики. Это положило начало исследованию, которое поставило их лицом к лицу с одной из основных проблем космологии.

"Мы обсуждали, можем ли мы наблюдать физику муара, когда две реальные вселенные сливаются в одну", - говорит Пархизкар. "Что вы хотите искать, задавая этот вопрос? Прежде всего, нужно знать масштаб длины каждой вселенной".

Шкала длины - или шкала физической величины вообще - описывает, какой уровень точности подходит для того, на что вы смотрите. Если вы приближенно определяете размер атома, то значение имеет десятимиллиардная доля метра, но эта шкала бесполезна, если вы измеряете футбольное поле, потому что оно находится в другой шкале. Теории физики накладывают фундаментальные ограничения на некоторые из самых маленьких и самых больших масштабов, которые имеют смысл в наших уравнениях.

Масштаб Вселенной, который волновал Галицкого и Пархизкара, называется планковской длиной(недоступная ссылка - ссылка), и он определяет наименьшую длину, которая согласуется с квантовой физикой. Длина Планка напрямую связана с константой, называемой космологической постоянной(недоступная ссылка), которая включена в уравнения поля Эйнштейна в общей теории относительности(недоступная ссылка). В этих уравнениях константа влияет на то, будет ли Вселенная вне гравитационного влияния расширяться или сжиматься.

Эта постоянная является фундаментальной для нашей Вселенной. Поэтому, чтобы определить ее значение, ученым, в теории, нужно просто посмотреть на Вселенную, измерить несколько деталей, например, скорость удаления галактик друг от друга, подставить все в уравнения и вычислить, какой должна быть константа.

Этот простой план наталкивается на проблему, поскольку 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 объединить 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 приближенного определения космологической постоянной, вычисленное ими значение оказывается намного меньше, чем можно было бы ожидать, исходя из других частей теории. Более того, значение резко меняется в зависимости от того, сколько деталей они включают в аппроксимацию, вместо того, чтобы прийти к постоянному значению. Эта затянувшаяся проблема известна как проблема космологической постоянной, или иногда как "вакуумная катастрофа".

"Это самое большое - далеко не самое большое - несоответствие между измерениями и тем, что мы можем предсказать с помощью теории", - говорит Пархизкар. "Это означает, что что-то не так".

Поскольку муаровые узоры могут создавать резкие различия в масштабах, эффект муара показался естественной линзой для рассмотрения проблемы. Галицки и Пархизкар создали математическую модель (которую они назвали муаровой гравитацией), взяв две копии теории Эйнштейна о том, как Вселенная изменяется со временем, и введя в математику дополнительные условия, которые позволяют этим двум копиям взаимодействовать. Вместо того чтобы рассматривать масштабы энергии и длины в графене, они рассматривали космологические константы и длины во вселенных.

Галицки говорит, что эта идея возникла спонтанно, когда они работали над, казалось бы, несвязанным проектом, который финансируется Фондом Джона Темплтона(ссылка внешняя) и направлен на изучение гидродинамических потоков в графене и других материалах для моделирования астрофизических явлений.

Играя со своей моделью, они показали, что два взаимодействующих мира с большими космологическими константами могут отменить ожидаемое поведение от отдельных космологических констант. Взаимодействие приводит к поведению, управляемому общей эффективной космологической постоянной, которая намного меньше, чем отдельные константы. Расчет эффективной космологической постоянной позволяет обойти проблему, с которой сталкиваются исследователи, когда значение их приближенных значений скачет, поскольку со временем влияния двух вселенных в модели взаимно отменяют друг друга.

"Мы никогда не утверждаем, что это решает проблему космологической постоянной", - говорит Пархизкар. "Это очень самонадеянное заявление, если честно. Это просто хорошая идея о том, что если у вас есть две вселенные с огромными космологическими постоянными - на 120 порядков больше, чем мы наблюдаем, - и если вы их объедините, все еще есть шанс, что вы сможете получить из них очень маленькую эффективную космологическую постоянную".

В предварительной последующей работе(ссылка внешняя) Галицки и Пархизкар начали развивать эту новую перспективу, погрузившись в более детальную модель пары взаимодействующих миров, которые они назвали "би-мирами". Каждый из этих миров является полноценным миром сам по себе по нашим обычным стандартам, и каждый из них заполнен соответствующими наборами всех материй и полей. Поскольку математика позволяла это сделать, они также включили поля, которые одновременно живут в обоих мирах, которые они назвали "амфибийными полями".

Новая модель дала дополнительные результаты, которые исследователи считают интригующими. По мере того как они собирали математические выкладки, они обнаружили, что часть модели похожа на важные поля, которые являются частью реальности. Более подробная модель все еще предполагает, что два мира могут объяснить малую космологическую постоянную, и дает подробную информацию о том, как такой би-мир может наложить отпечаток на космическое фоновое излучение - свет, сохранившийся с самых ранних времен существования Вселенной.

Эта сигнатура может быть замечена или окончательно не замечена при измерениях в реальном мире. Таким образом, будущие эксперименты могут определить, заслуживает ли эта уникальная перспектива, вдохновленная графеном, большего внимания или это просто интересная новинка в корзине для игрушек физиков.

"Мы не исследовали все эффекты - это трудно сделать, но теория поддается экспериментальной проверке, что очень хорошо", - говорит Пархизкар. "Если она не будет фальсифицирована, то это очень интересно, потому что она решает проблему космологической постоянной и одновременно описывает многие другие важные части физики. Лично я на это не надеюсь - я думаю, что это слишком много, чтобы быть правдой".