我們的現實，只是一對相互作用的世界中的一半？

物理學家有時會想出一些瘋狂的故事，它們聽起來可能就像科幻小説。有些被證明是真的，比如 愛因斯坦 描述的時空彎曲已經被天文觀測證實，但還有一些仍屬於理論範疇。

在《物理評論研究》的一篇新論文中，兩位物理學家探索了一種富有想象力的可能性，那就是， 我們的現實只是一對相互作用的世界中的一半 。他們的數學模型可能為研究現實的基本特徵提供了一種新的視角，比如解釋為什麼我們的宇宙會以這樣的方式膨脹，以及那與量子力學中允許存在的最小長度極限有什麼關係。

這些問題對於理解我們的宇宙至關重要，甚至有望幫助揭開現代物理學最大謎團的一部分。

摩爾紋

這個新研究的想法是兩位物理學家在從事一個看似無關的項目時冒出來的，項目主要研究如何用材料中的流體力學流動來模擬天體物理現象。兩位科學家在研究 石墨烯 ，也就是六邊形重複圖案的單層碳原子時，偶然探索出了一條新的思路。

在疊層石墨烯中，新的電學行為產生於單個薄片之間的相互作用，這種特殊的電學特性來自 摩爾紋 （moiré pattern）所產生的特殊物理學。無論是石墨烯薄片中的六邊形原子，還是窗紗的網格，當兩層重複的圖案重疊在一起，且其中一層被扭曲、偏移或拉伸時，就會形成摩爾紋。

摩爾紋。（圖／P. Fraundorf, Wikimedia Commons, CC BY-SA）

出現的圖案可以在相較於底層圖案而言的巨大長度上不斷重複。 在石墨烯堆疊中，新的圖案改變了片材的物理特性，特別是電子的行為 。在一種被稱為 魔角石墨烯 的特殊情況下，摩爾紋重複的長度大約是單個薄片圖案長度的52倍，同時控制電子行為的能級急劇下降，使得新的行為出現，其中就包括超導性。

他們意識到，類似的獨特的物理學或許也可以在其他的相互作用的層中出現，這種現象有機會被推廣到物理學的其他領域。其中一種最令人興奮、也是最雄心勃勃的想法便是， 也許它同樣會出現在宇宙學理論中 。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之間跳躍。

這啟發了他們將數學推廣到由任何數量的維度構成的宇宙，包括我們這個四維宇宙，並研究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，讓他們開始直面宇宙學中一個重大問題。

宇宙學常數問題

在新研究中，兩位物理學家討論了摩爾物理學是否會出現在兩個宇宙的相互作用中。但想要知道這個問題，首先必須弄清的是每個宇宙的 長度尺度 。

長度尺度，或者説物理值的尺度，實際上描述了與你所關注的東西相關的準確度水平。簡單來説，如果你想近似測量一個原子的大小，那麼百億分之一米的尺度就很重要，但如果要測量一片足球場，這個尺度就沒有意義了。物理理論則會對一些最小和最大尺度進行基本限制，這些尺度在方程中是有意義的。

新研究關注的宇宙的尺度被稱為 普朗克長度 ，它定義了符合量子物理學的最小長度。普朗克長度與廣義相對論場方程中的 宇宙學常數 直接相關。在方程中，宇宙學常數影響着宇宙在引力影響之外傾向於膨脹還是收縮。

這個常數是我們宇宙的基礎。因此，為了確定它的數值，理論上來講，科學家只需要觀測宇宙，測量一些細節，比如星系遠離彼此的速度，將一切插入方程，就能計算出來。

但這種直截了當的方案卻遇到了麻煩，因為我們的宇宙同時包含相對論效應和量子效應。即使是在宇宙學的尺度上，跨越巨大真空的量子漲落效應也會影響行為。但當科學家試圖把針對宇宙的相對論理解，與關於量子真空的理論結合起來時，他們就會遇到問題。

其中一個問題便是，每當研究人員試圖利用觀測數據來估計宇宙學常數時，他們計算出的數值要比理論預期的小得多。更重要的是，估計值會出現明顯的跳躍，而不是集中在一個相對一致的數值上，具體則取決於近似值中包含的細節有多少。

這個長期存在的挑戰被稱為宇宙學常數問題，有時也被稱為“真空災難”。這是最大的測量和理論預測的結果之間的不一致。這意味着，一定有哪裏搞錯了。

摩爾引力模型

然而受到雙層石墨烯的啟發，兩位物理學家認為，摩爾效應似乎是看待這個問題的一種方式。

他們創建了一個數學模型，他們稱之為 摩爾引力 。我們可以這樣形象地理解這個模型，模型中包含兩份愛因斯坦關於宇宙如何隨時間變化的理論副本，同時在數學上引入額外的項，讓這兩份副本相互作用，就好比兩片石墨烯的相互作用一樣。而科學家關注的不再是石墨烯的能量和長度尺度，而是在研究宇宙學常數和宇宙的長度。

一片延展的彎曲石墨烯片材鋪在另一片彎曲的片材上，就會產生一種新的模式，它能影響電如何在片材上移動。一個新的模型表明，如果兩個相鄰的宇宙能夠相互作用，可能會出現類似的物理現象。（圖／Alireza Parhizkar, JQI)

在擺弄模型時，他們發現，如果兩個相鄰的宇宙能夠相互作用，可能就會出現類似雙層石墨烯的物理現象，從而引出針對宇宙學常數的一些解釋。

即使這兩個宇宙擁有的宇宙學常數都很大，在它們相互作用後，那些依據單個宇宙學常數所預期的行為便不再成立。 相互作用產生的行為到受一個共有的有效宇宙學常數的支配，它的數值可能比單個宇宙學常數小得多 。

也就是説，哪怕這兩個宇宙的宇宙學常數，比我們觀測到的數值大120個數量級，但如果你將它們結合起來，發生相互作用，仍然有機會從中得出一個非常小的有效宇宙學常數。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。

一種有趣的見解

研究人員強調，他們 並沒有聲稱一勞永逸地這解決了宇宙學常數問題 ，在他們看來“那是一種非常傲慢的説法”。他們表示，這只是一種很有趣的見解。

在初步的後續研究中，團隊已經開始在這個新視角的基礎上，深入研究一對相互作用的世界的更詳細模型，他們稱之為 雙世界 。

按照我們正常的標準，其中每個世界都是獨立且完整的，並且每一個都充滿了所有物質和場的匹配集合。由於數學上的可能，其中還包括那些同時存在於兩個世界的場，也就是所謂的 兩棲場 。

這種新模型已經產生了一些耐人尋味的額外結果。他們發現模型的一部分看起來就像現實中的重要的場。更詳細的模型依舊錶明，兩個世界可以解釋一個小數值的宇宙學常數，並提供了一些細節，表明 雙世界會如何在宇宙背景輻射上留下一種明顯的特徵 。

這種特徵或許會在現實世界的觀測中被發現，也有可能永遠不會。而未來更多實驗可以確定，這種由石墨烯激發的獨特視角，是否值得科學家的更多關注。

# 創作團隊：

編譯：Gaviota

排版：雯雯

# 參考來源：

http://jqi.umd.edu/news/bilayer-graphene-inspires-two-universe-cosmological-model

# 圖片來源：

封面圖&首圖：Alireza Parhizkar, JQI