物理学家称我们的现实世界可能只是两个相互作用的世界的一半

物理学家有时会想出一些听起来像科幻小说的怪诞故事。然而，有些故事被证明是真实的，比如爱因斯坦描述的空间和时间的曲率最终被天文测量所证实。其他的则仅仅是作为一种可能性或数学上的好奇心。在《物理评论研究》的一篇新论文中，联合量子研究所（JQI）研究员Victor Galitski和JQI研究生Alireza Parhizkar研究了一种富有想象力的可能性，即我们的现实世界只是两个互动世界的一半。

他们的数学模型可能为研究现实的基本方面提供了一个新的视角--包括为什么我们的宇宙会以这样的方式膨胀，以及这与量子力学中允许的最微小的长度有什么关系。这些话题对于理解我们的宇宙至关重要，也是现代物理学伟大谜团之一的一部分。

这两位科学家在研究完全不同的东西时偶然提出了这个新观点，即对石墨烯片的研究。他们意识到，对堆叠的石墨烯片的电性能进行的实验产生了类似于小宇宙的结果，而且这种基本现象可能会普及到物理学的其他领域。在堆叠的石墨烯中，新的电学行为产生于各个片材之间的相互作用，因此，也许独特的物理学也可以从其他地方的相互作用的层中出现--也许在关于整个宇宙的宇宙学理论中。

“我们认为这是一个令人兴奋和雄心勃勃的想法，”Galitski说，他也是物理系的切萨皮克理论物理讲座教授。“从某种意义上说，它通过自然地‘预测’我们宇宙的基本特征，如我们在后续预印本中描述的通货膨胀和黑格斯粒子（Higgs particle），效果如此之好，这几乎令人怀疑。”

叠层石墨烯的特殊电学特性以及与我们的现实有一个“双胞胎”的可能联系，来自于被称为摩尔纹的图案所产生的特殊物理学。当两个重复的图案--从石墨烯片中的六边形原子到窗纱的网格--重叠在一起，其中一个层被扭曲、偏移或拉伸时，就会形成摩尔纹图案。

出现的图案可以在与底层图案相比的巨大长度上重复。在石墨烯堆栈中，新的图案改变了片状物的物理特性，特别是电子的行为。在被称为“魔角石墨烯”的特殊情况下，摩尔纹图案重复的长度大约是单个薄片图案长度的52倍，而控制电子行为的能级急剧下降，允许新的行为，包括超导性。

Galitski和Parhizkar意识到，两片石墨烯中的物理学可以被重新解释为两个二维宇宙的物理学，其中电子偶尔会在宇宙间跳跃。这启发了两位研究人员将数学推广到由任何数量的维度组成的宇宙，包括我们自己的四维宇宙，并探索由摩尔纹产生的类似现象是否会出现在物理学的其他领域。这开启了一条探索之路，使他们面对宇宙学中的一个主要问题。

“我们讨论了当两个真实的宇宙凝聚成一个时，我们是否可以观察到摩尔纹物理学，”Parhizkar说。“当你问这个问题时，你想寻找什么？首先，你必须知道每个宇宙的长度尺度。”

长度尺度--或者说一般的物理值的标度--描述了与你所看的任何东西相关的准确度的水平。如果你要近似测量一个原子的大小，那么百亿分之一米就很重要，但如果你要测量一个足球场，这个尺度就没有用了，因为它是在另一个尺度上。物理学理论对一些最小和最大的尺度进行了基本限制，这些尺度在我们的方程中是有意义的。

Galitski和Parhizkar所关注的宇宙尺度被称为普朗克长度，它定义了符合量子物理学的最小长度。普朗克长度与爱因斯坦广义相对论场方程中的一个常数--宇宙学常数直接相关。在方程中，这个常数影响着宇宙--在引力的影响之外--是否倾向于膨胀或收缩。

这个常数是我们的宇宙的根本。因此，为了确定其数值，科学家们在理论上只需要观察宇宙，测量一些细节，如星系相互移动的速度，将所有的东西插入方程并计算出常数必须是什么。

这个直截了当的计划遇到了一个问题，因为我们的宇宙同时包含了相对论和量子效应。即使是在宇宙学的尺度上，跨越巨大的空间真空的量子波动效应也应该影响行为。但是当科学家们试图把爱因斯坦给我们的对宇宙的相对论理解与关于量子真空的理论结合起来时，他们遇到了问题。

其中一个问题是，每当研究人员试图使用观测数据来接近宇宙学常数时，他们计算出的数值要比他们根据理论的其他部分所预期的小得多。更重要的是，根据他们在近似值中所包含的细节的多少，这个值会急剧跳动，而不是集中在一个一致的值上。这个挥之不去的挑战被称为宇宙常数问题，或有时被称为“真空灾难”。

“这是最大的--迄今为止最大的--测量和我们可以通过理论预测的结果之间的不一致，”Parhizkar说。“这意味着有些东西是错误的。”

由于摩尔纹图案可以产生巨大的尺度差异，摩尔纹效应似乎是看待这个问题的一个自然镜头。Galitski和Parhizkar创建了一个数学模型（他们称之为摩尔纹引力），将爱因斯坦关于宇宙如何随时间变化的理论分成两份，并在数学中引入额外条款，让这两份理论相互作用。他们不是在看石墨烯的能量和长度尺度，而是在看宇宙的宇宙学常数和长度。

Galitski说，这个想法是他们在从事一个看似无关的项目时自发产生的，该项目由约翰·坦普尔顿基金会资助，主要研究石墨烯和其他材料中的流体力学流动，以模拟天体物理现象。

通过分析他们的模型，他们表明，两个具有大宇宙学常数的互动世界可以推翻来自单个宇宙学常数的预期行为。相互作用产生的行为受一个共享的有效宇宙学常数支配，这个常数比单个常数小得多。对有效宇宙学常数的计算规避了研究人员对其近似值跳动的问题，因为随着时间的推移，模型中两个宇宙的影响会相互抵消。

“我们并没有声称--永远--这解决了宇宙学常数问题，”Parhizkar说。“说实话，那是一个非常傲慢的说法。这只是一个很好的见解，如果你有两个具有巨大宇宙常数的宇宙，比如比我们观察到的大120个数量级，如果你把它们结合起来，仍然有机会从它们中得到一个非常小的有效宇宙常数。”

在初步的后续工作中，Galitski和Parhizkar已经开始在这个新论点的基础上，深入研究两个相互作用的世界的更详细的模型--他们称之为“双世界”。按照我们的正常标准，这些世界中的每一个都是一个独立的完整世界，并且每一个都充满了所有物质和场的匹配集合。由于数学允许，他们还包括同时生活在两个世界的场，他们称之为“两栖场”。

新的模型产生了研究人员认为耐人寻味的额外结果。当他们把数学放在一起时，他们发现该模型的一部分看起来像现实中的重要场。更详细的模型仍然表明，两个世界可以解释一个小的宇宙学常数，并提供了关于这样一个“双世界”如何在宇宙背景辐射上印下一个明显的签名的细节--从宇宙最早的时候就一直存在的光。

在现实世界的测量中，这种特征可能会被看到--或者肯定不会被看到。因此，未来的实验可以确定这种由石墨烯激发的独特视角是否值得更多关注，或者仅仅是物理学家玩具箱中的一个有趣的新东西。

“我们还没有探索所有的影响--这是一件很难的事情，但是这个理论在实验上是可以被证伪的，这是一件好事，”Parhizkar说。“如果它没有被证伪，那么它就非常有趣，因为它解决了宇宙学常数问题，同时描述了物理学的许多其他重要部分。我个人对此不抱希望--我认为它实际上大得不真实。”