物理學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學上的好奇心。在《物理評論研究》的一篇新論文中，聯合量子研究所（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，即我們的現實世界只是兩個互動世界的一半。
他們的數學模型可能為研究現實的基本方面提供了一個新的視角–包括為什麼我們的宇宙會以這樣的方式膨脹，以及這與量子力學中允許的最微小的長度有什麼關係。這些話題對於理解我們的宇宙至關重要，也是現代物理學偉大謎團之一的一部分。
這兩位科學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生了類似於小宇宙的結果，而且這種基本現象可能會普及到物理學的其他領域。在堆疊的石墨烯中，新的電學行為產生於各個片材之間的相互作用，因此，也許獨特的物理學也可以從其他地方的相互作用的層中出現–也許在關於整個宇宙的宇宙學理論中。
“我們認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‘預測’我們宇宙的基本特徵，如我們在後續預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特性以及與我們的現實有一個“雙胞胎”的可能聯繫，來自於被稱為摩爾紋的圖案所產生的特殊物理學。當兩個重複的圖案–從石墨烯片中的六邊形原子到窗紗的網格–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。
出現的圖案可以在與底層圖案相比的巨大長度上重複。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，摩爾紋圖案重複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，包括超導性。
Galitski和Parhizkar意識到，兩片石墨烯中的物理學可以被重新解釋為兩個二維宇宙的物理學，其中電子偶爾會在宇宙間跳躍。這啟發了兩位研究人員將數學推廣到由任何數量的維度組成的宇宙，包括我們自己的四維宇宙，並探索由摩爾紋產生的類似現象是否會出現在物理學的其他領域。這開啟了一條探索之路，使他們面對宇宙學中的一個主要問題。
“我們討論了當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，”Parhizkar說。“當你問這個問題時，你想尋找什麼？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度–描述了與你所看的任何東西相關的準確度的水平。如果你要近似測量一個原子的大小，那麼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–宇宙學常數直接相關。在方程中，這個常數影響着宇宙–在引力的影響之外–是否傾向於膨脹或收縮。
這個常數是我們的宇宙的根本。因此，為了確定其數值，科學家們在理論上只需要觀察宇宙，測量一些細節，如星系相互移動的速度，將所有的東西插入方程並計算出常數必須是什麼。
這個直截了當的計劃遇到了一個問題，因為我們的宇宙同時包含了相對論和量子效應。即使是在宇宙學的尺度上，跨越巨大的空間真空的量子波動效應也應該影響行為。但是當科學家們試圖把愛因斯坦給我們的對宇宙的相對論理解與關於量子真空的理論結合起來時，他們遇到了問題。
其中一個問題是，每當研究人員試圖使用觀測數據來接近宇宙學常數時，他們計算出的數值要比他們根據理論的其他部分所預期的小得多。更重要的是，根據他們在近似值中所包含的細節的多少，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被稱為宇宙常數問題，或有時被稱為“真空災難”。
“這是最大的–迄今為止最大的–測量和我們可以通過理論預測的結果之間的不一致，”Parhizkar說。“這意味着有些東西是錯誤的。”
由於摩爾紋圖案可以產生巨大的尺度差異，摩爾紋效應似乎是看待這個問題的一個自然鏡頭。Galitski和Parhizkar創建了一個數學模型（他們稱之為摩爾紋引力），將愛因斯坦關於宇宙如何隨時間變化的理論分成兩份，並在數學中引入額外條款，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常數和長度。
Galitski說，這個想法是他們在從事一個看似無關的項目時自發產生的，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流動，以模擬天體物理現象。
通過分析他們的模型，他們表明，兩個具有大宇宙學常數的互動世界可以推翻來自單個宇宙學常數的預期行為。相互作用產生的行為受一個共享的有效宇宙學常數支配，這個常數比單個常數小得多。對有效宇宙學常數的計算規避了研究人員對其近似值跳動的問題，因為隨着時間的推移，模型中兩個宇宙的影響會相互抵消。
“我們並沒有聲稱–永遠–這解決了宇宙學常數問題，”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的宇宙，比如比我們觀察到的大120個數量級，如果你把它們結合起來，仍然有機會從它們中得到一個非常小的有效宇宙常數。”
在初步的後續工作中，Galitski和Parhizkar已經開始在這個新論點的基礎上，深入研究兩個相互作用的世界的更詳細的模型–他們稱之為“雙世界”。按照我們的正常標準，這些世界中的每一個都是一個獨立的完整世界，並且每一個都充滿了所有物質和場的匹配集合。由於數學允許，他們還包括同時生活在兩個世界的場，他們稱之為“兩棲場”。
新的模型產生了研究人員認為耐人尋味的額外結果。當他們把數學放在一起時，他們發現該模型的一部分看起來像現實中的重要場。更詳細的模型仍然表明，兩個世界可以解釋一個小的宇宙學常數，並提供了關於這樣一個“雙世界”如何在宇宙背景輻射上印下一個明顯的簽名的細節–從宇宙最早的時候就一直存在的光。
在現實世界的測量中，這種特徵可能會被看到–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的獨特視角是否值得更多關注，或者僅僅是物理學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，那麼它就非常有趣，因為它解決了宇宙學常數問題，同時描述了物理學的許多其他重要部分。我個人對此不抱希望–我認為它實際上大得不真實。”