kozmos.hr
  • Naslovnica
  • /
  • Svemir
  • /
  • Istraživanje značajki slojeva grafena inspiriralo ‘dvosvjetovni’ kozmološki model
Svemir

Istraživanje značajki slojeva grafena inspiriralo ‘dvosvjetovni’ kozmološki model

Grafenske plohe. Izvor: Alireza Parhizkar, JQI.
objavljeno

U novom radu, objavljenom u Physical Review Research, Victor Galitski i Alireza Parhizkar s Joint Quantum Instituta istražili su mogućnost da je naša stvarnost samo polovica para svjetova koji su se našli u interakciji. Njihov matematički model pruža novu perspektivu temeljnih značajki stvarnosti, uključujući zašto se naš svemir širi na način na koji se širi i kako se to odnosi na kvantnu mehaniku. 

Grafen i mali svemiri

Galitski i Parhizkar došli su na ovu ideju, istražujući plohe grafena tj. pojedinačne atomske slojeve ugljika u šesterokutnom ponavljajućem uzorku. Istraživači su primijetili da eksperimenti s električnim svojstvima naslaganih ploha daju rezultate koji nalikuju malim svemirima te da bi se implikacije ovog fenomena mogle prenijeti i na druga područja fizike.

U hrpama grafena, nova električna djelovanja proizlaze iz interakcija između pojedinačnih ploha pa bi se jedinstvena fizika možda mogla na sličan način pojaviti među interakcijskim slojevima drugdje, primjerice, u kozmološkim teorijama svemira. “Mislimo da je ovo uzbudljiva i ambiciozna ideja”, smatra Galitski, profesor teorijske fizike. “U određenom smislu, sumnjivo je da fenomen funkcionira tako dobro u odnosu na prirodna ‘predviđanja’ temeljnih značajki našeg svemira poput inflacije i Higgsovog bozona.”

Moiré uzorci i dvodimenzionalni svemiri

Neobična električna svojstva grafena i mogućnost da naš svemir ima blizanca povezani su s fizikom moiré uzoraka. Moiré uzorci nastaju kada se dva ponavljajuća uzorka preklapaju, a jedan od slojeva se uvija, pomiče ili rasteže. Obrasci se mogu ponavljati na duljinama koje su velike u usporedbi s izvornim uzorcima. U naslagama grafena, novi obrasci mijenjaju fiziku koja se odigrava u plohama, osobito ponašanje elektrona. U posebnom slučaju zvanom “grafen čarobnog kuta”, moiré uzorak se ponavlja na duljini koja je oko 52 puta duža od duljine uzorka pojedinačnih ploha, dok istovremeno razina energije koja upravlja ponašanjem elektrona naglo opada, dopuštajući nove značajke poput supravodljivost.

Istraživači su primijetili da se fizika u dvije plohe grafena može tumačiti kao fizika dvaju dvodimenzionalnih svemira u kojima elektroni povremeno skaču između svemira. Zatim su poopćili matematiku kako bi se mogla primijeniti na svemire bilo kojeg broja dimenzija, uključujući i naš četverodimenzionalan te da istraže može li se sličan fenomen koji proizlazi iz moiré uzoraka pojaviti u drugim područjima fizike. “Razgovarali smo o tome možemo li promatrati moiré fiziku kada se dva stvarna svemira spajaju u jedan”, navodi Parhizkar. “No, što tražimo postavljajući ovo pitanje? Prvo moramo znati ljestvicu duljine svakog svemira.”

Ljestvica duljine

Ljestvica duljine ili općenito ljestvica fizičke vrijednosti opisuje koja je razina relevantna za ono što gledate. Ako procjenjujete veličinu atoma, onda je deset milijarditi dio metra bitan, ali ta je ljestvica beskorisna ako mjerite stadion jer se on mjeri na drugoj skali. Teorije fizike postavljaju temeljna ograničenja na neke od najmanjih i najvećih ljestvica koje imaju smisla u našim jednadžbama. Skala svemira koju su koristili istraživači, naziva se Planckova duljina – najmanja duljina u kvantnoj fizici. Planckova duljina izravno je povezana s kozmološkom konstantom iz Einsteinove jednadžbe polja u općoj relativnosti. U jednadžbama konstanta utječe na to hoće li se svemir širiti ili skupljati.

Ova konstanta je temeljna za naš svemir i njen bi izračun trebao, u teoriji, biti jednostavan. Međutim, problem je što se naš svemir ponaša i prema relativističkim, i prema kvantnim učincima. Učinak kvantnih fluktuacija u ogromnom svemirskom vakuumu trebao bi utjecati na ponašanje čak i na kozmološkim razmjerima, ali kada znanstvenici pokušaju kombinirati Einsteinovo relativističko razumijevanje svemira s teorijama o kvantnom vakuumu, nailaze na probleme. Uvijek kada istraživači pokušaju približno izračunati kozmološku konstantu, dobiju premalu vrijednost koja nije u skladu s ostatkom teorije. Što se više detalja uključi u aproksimaciju, to njena vrijednost dramatičnije odskače. Ovaj problem poznat je i pod imenom “problem kozmološke konstante” te “vakuumska katastrofa”.

Znanstvenici kažu da bi Svemir mogao biti „pikseliran“

Moiré gravitacija

Moiré uzorci također mogu proizvesti dramatične razlike u skalama, potaknuvši istraživače da razviju matematički model moiré gravitacije uzimajući dva identična Einsteinova svemira i uvedu dodatne matematičke pojmove koji omogućuju interakciju dviju kopija. Umjesto da gledaju skale energije i duljine u grafenu, gledali su kozmološke konstante i duljine u svemirima. Ideja je nastala slučajno dok su radili na nepovezanom projektu koji financira zaklada John Templeton i koji je usmjeren na proučavanje hidrodinamičkih tokova u grafenu za simulaciju astrofizičkih fenomena. Ipak, model je pokazao da dva svemira u interakciji s velikim kozmološkim konstantama mogu nadjačati očekivano djelovanje pojedinačnih kozmoloških konstanti. Interakcije ovih dvaju svemira proizvode učinke kojima upravlja zajednička efektivna kozmološka konstanta koja je mnogo manja od pojedinačnih konstanti. Problem skakanja vrijednosti aproksimacije zaobiđen je jer se utjecaji dvaju svemira povremeno poništavaju.

“Mi ne tvrdimo da ovo rješava problem kozmološke konstante i to bi bila vrlo arogantna tvrdnja, da budem iskren. Ovo je samo lijep prikaz iz kojeg se vidi da ako imate dva svemira s ogromnim kozmološkim konstantama poput 120 redova veličine većih od onoga što promatramo, i ako ih kombinirate, i dalje postoji šansa da iz njih dobite vrlo malu efektivnu kozmološku konstantu”, objašnjava Parhizkar.

Znanstvenici pomoću kvantnog računala otkrivaju što se nalazi unutar crne rupe te razmatraju kvantnu gravitaciju

Model ‘dvosvjetova’

Galitski i Parhizkar zatim su izradili detaljniji model svemirskog para u interakciji kojeg nazivaju “dvosvjetovima”. Svaki od ovih svjetova funkcionira za sebe prema uobičajenim standardima i svaki je ispunjen odgovarajućim skupovima materija i polja. Međutim, matematika je dopuštala uključenje polja koja su istovremeno funkcionirala u oba svijeta, dobivši naziv “amfibijska polja”. Novi model polučio je zanimljive rezultate.

Istraživači su otkrili da dio modela nalikuje važnim poljima iz naše stvarnosti. Detaljniji model također pokazuje  da dva svijeta mogu objasniti malu kozmološku konstantu, a pritom pruža i pojedinosti o tome kako bi dvosvijet mogao utjecati na kozmičko pozadinsko zračenje odnosno svjetlost iz najranijeg razdoblja svemira. Ovaj bi se utjecaj mogao lagano testirati budućim eksperimentima te odbaciti ako se ne nađe u realnim mjerenjima. “Ako se ovo dokaže, onda se radi o vrlo zanimljivoj postavki koja rješava problem kozmološke konstante, a pritom opisuje i mnoge druge važne dijelove fizike.”

Je li svemir započeo Velikim praskom ili Velikim skokom?

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr

Alireza Parhizkar et al, Strained bilayer graphene, emergent energy scales, and moiré gravity, Physical Review Research (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L022027

Alireza Parhizkar, Victor Galitski, Moiré Gravity and Cosmology. arXiv:2204.06574v1 [hep-th], arxiv.org/abs/2204.06574

Bedford B. (6. svibnja 2022.), Bilayer graphene inspires two-universe cosmological model, Joint Quantum Institute, Phys.org (pristup 18. svibnja 2022.)

Ja sam Matija Klarić.
Student sam Ekonomskog fakulteta, a u slobodno se vrijeme bavim volonterstvom te istraživanjem, čitanjem i pisanjem o mojim omiljenim temama; svemiru, astronomiji, astrofizici i tehnologiji.