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科学探索|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


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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 。
科学探索|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
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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 。
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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 。

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