物理學家:我們這個宇宙在基本層面上已經「分裂」,可能存在雙宇宙

美國馬里蘭大學聯合量子研究所的兩位物理學家,在研究石墨烯的過程中受到啟發,推導出了一個數學模型,可以解釋為什麼我們的宇宙會加速膨脹,以及這種膨脹與我們宇宙最小的量子尺度之間有什麼樣的聯系。這個模型暗示我們,我們生活的這個世界,實際上可能是一對相互影響的「雙宇宙」中的一個。

雙層石墨烯結構。Alireza Parhizkar / JQI

石墨烯是一種厚度只相當于一個原子的二維六邊形蜂窩狀晶格結構新材料。多張石墨烯薄膜堆疊在一起時,薄膜間的相互作用會導致整疊石墨烯表現出極佳的導電性能。

石墨烯在堆疊過程中會產生「莫列波紋」(Moiré pattern,也就是摩爾紋)。這種干涉紋樣能夠在較[大尺度]上反復出現,并改變石墨烯的物理學特性。在某些特別的條件下,它能夠在比石墨烯六邊形結構大52倍的尺度上反復出現,并導致電流傳輸所需能量級陡然下跌,使整疊石墨烯展現出奇異的物理學特性,比如超導。

石墨烯的這些新物理學特性可以被視為是通過電子在兩個二維世界之間跳躍震蕩展現出來的。受此啟發,研究人員用數學建立了一個模型,探索「莫列波紋」干涉紋樣在其他物理學領域是否也有相似的作用。

一處宇宙深空。ESO

「莫列波紋」干涉紋樣的出現與對象的尺度有關。而對于宇宙而言,其基本尺度是所謂的「普朗克長度」。「普朗克長度」是量子力學里最小的長度單位,它與決定宇宙是否膨脹的宇宙學常數,以及愛因斯坦的廣義相對論場方程有關。

近年來,科學家在確定宇宙學常數的過程中遇到了很多麻煩。理論上,我們只要通過觀測宇宙中星系相互退行的速度,就可以得到宇宙學常數。但是實際上人們通過觀測得到的宇宙學常數,要比量子力學計算得出的值低好幾個數量級。

這是一個非常大的麻煩,且已經困擾了科學家很久。其背后還隱藏著所謂的「真空災難」問題。這些矛盾的存在,既可能意味著我們對宇宙的認識不夠,也可能是因為理論中存在著錯誤。

這一次,研究人員試圖利用「莫列波紋」干涉紋樣能夠展現尺度差異這一特點,來尋找問題的所在。他們建立了一個被稱為「莫列引力」的數學模型。這個模型能夠將兩份廣義相對論,通過數學的方式疊加在一起。

研究人員發現,假如有兩個宇宙能夠相互干涉,可能會產生一個較小的共享值,把原來單個宇宙的宇宙學常數覆蓋掉。也就是說,當它們疊加在一起后,會產生一個比單個宇宙學常數小好幾個數量級的共享常數。

宇宙微波背景輻射。ESA

這個共享的宇宙學常數是會變化的,因為兩個宇宙之間的干涉效應會隨著時間的推移而不斷出現和抵消。這或許可以解釋為什麼科學家在實際觀測中獲得的宇宙學常數總是沒有一個確定的值。

研究人員發現,「雙宇宙」數學模型中的宇宙擁有許多現實宇宙中確實存在的物質和場,而且在一些特別重要的場上還非常相似。他們還在數學上發現,有一種「兩棲場」,能夠同時存在于這兩個宇宙中。

研究人員還發現,這樣一對「雙宇宙」可能會在宇宙微波背景輻射中留下獨特的印記。而這意味著這個理論是可供檢驗的。


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