我们的现实，只是一对相互作用的世界中的一半？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Gaviota，题图来自：《奇异博士》

物理学家有时会想出一些疯狂的故事，它们听起来可能就像科幻小说。有些被证明是真的，比如爱因斯坦描述的时空弯曲已经被天文观测证实，但还有一些仍属于理论范畴。

在《物理评论研究》的一篇新论文中，两位物理学家探索了一种富有想象力的可能性，那就是，我们的现实只是一对相互作用的世界中的一半。他们的数学模型可能为研究现实的基本特征提供了一种新的视角，比如解释为什么我们的宇宙会以这样的方式膨胀，以及那与量子力学中允许存在的最小长度极限有什么关系。

这些问题对于理解我们的宇宙至关重要，甚至有望帮助揭开现代物理学最大谜团的一部分。

摩尔纹  

这个新研究的想法是两位物理学家在从事一个看似无关的项目时冒出来的，项目主要研究如何用材料中的流体力学流动来模拟天体物理现象。两位科学家在研究石墨烯，也就是六边形重复图案的单层碳原子时，偶然探索出了一条新的思路。

在叠层石墨烯中，新的电学行为产生于单个薄片之间的相互作用，这种特殊的电学特性来自摩尔纹（moiré pattern）所产生的特殊物理学。无论是石墨烯薄片中的六边形原子，还是窗纱的网格，当两层重复的图案重叠在一起，且其中一层被扭曲、偏移或拉伸时，就会形成摩尔纹。

摩尔纹。（图／P. Fraundorf， Wikimedia Commons， CC BY-SA）

出现的图案可以在相较于底层图案而言的巨大长度上不断重复。在石墨烯堆叠中，新的图案改变了片材的物理特性，特别是电子的行为。在一种被称为魔角石墨烯的特殊情况下，摩尔纹重复的长度大约是单个薄片图案长度的52倍，同时控制电子行为的能级急剧下降，使得新的行为出现，其中就包括超导性。

他们意识到，类似的独特的物理学或许也可以在其他的相互作用的层中出现，这种现象有机会被推广到物理学的其他领域。其中一种最令人兴奋、也是最雄心勃勃的想法便是，也许它同样会出现在宇宙学理论中。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之间跳跃。

这启发了他们将数学推广到由任何数量的维度构成的宇宙，包括我们这个四维宇宙，并研究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，让他们开始直面宇宙学中一个重大问题。

宇宙学常数问题  

在新研究中，两位物理学家讨论了摩尔物理学是否会出现在两个宇宙的相互作用中。但想要知道这个问题，首先必须弄清的是每个宇宙的长度尺度。

长度尺度，或者说物理值的尺度，实际上描述了与你所关注的东西相关的准确度水平。简单来说，如果你想近似测量一个原子的大小，那么百亿分之一米的尺度就很重要，但如果要测量一片足球场，这个尺度就没有意义了。物理理论则会对一些最小和最大尺度进行基本限制，这些尺度在方程中是有意义的。

新研究关注的宇宙的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。普朗克长度与广义相对论场方程中的宇宙学常数直接相关。在方程中，宇宙学常数影响着宇宙在引力影响之外倾向于膨胀还是收缩。

这个常数是我们宇宙的基础。因此，为了确定它的数值，理论上来讲，科学家只需要观测宇宙，测量一些细节，比如星系远离彼此的速度，将一切插入方程，就能计算出来。

但这种直截了当的方案却遇到了麻烦，因为我们的宇宙同时包含相对论效应和量子效应。即使是在宇宙学的尺度上，跨越巨大真空的量子涨落效应也会影响行为。但当科学家试图把针对宇宙的相对论理解，与关于量子真空的理论结合起来时，他们就会遇到问题。

其中一个问题便是，每当研究人员试图利用观测数据来估计宇宙学常数时，他们计算出的数值要比理论预期的小得多。更重要的是，估计值会出现明显的跳跃，而不是集中在一个相对一致的数值上，具体则取决于近似值中包含的细节有多少。

这个长期存在的挑战被称为宇宙学常数问题，有时也被称为“真空灾难”。这是最大的测量和理论预测的结果之间的不一致。这意味着，一定有哪里搞错了。

摩尔引力模型  

然而受到双层石墨烯的启发，两位物理学家认为，摩尔效应似乎是看待这个问题的一种方式。

他们创建了一个数学模型，他们称之为摩尔引力。我们可以这样形象地理解这个模型，模型中包含两份爱因斯坦关于宇宙如何随时间变化的理论副本，同时在数学上引入额外的项，让这两份副本相互作用，就好比两片石墨烯的相互作用一样。而科学家关注的不再是石墨烯的能量和长度尺度，而是在研究宇宙学常数和宇宙的长度。

一片延展的弯曲石墨烯片材铺在另一片弯曲的片材上，就会产生一种新的模式，它能影响电如何在片材上移动。一个新的模型表明，如果两个相邻的宇宙能够相互作用，可能会出现类似的物理现象。（图／Alireza Parhizkar， JQI)

在摆弄模型时，他们发现，如果两个相邻的宇宙能够相互作用，可能就会出现类似双层石墨烯的物理现象，从而引出针对宇宙学常数的一些解释。

即使这两个宇宙拥有的宇宙学常数都很大，在它们相互作用后，那些依据单个宇宙学常数所预期的行为便不再成立。相互作用产生的行为到受一个共有的有效宇宙学常数的支配，它的数值可能比单个宇宙学常数小得多。

也就是说，哪怕这两个宇宙的宇宙学常数，比我们观测到的数值大120个数量级，但如果你将它们结合起来，发生相互作用，仍然有机会从中得出一个非常小的有效宇宙学常数。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。

一种有趣的见解  

研究人员强调，他们并没有声称一劳永逸地这解决了宇宙学常数问题，在他们看来“那是一种非常傲慢的说法”。他们表示，这只是一种很有趣的见解。

在初步的后续研究中，团队已经开始在这个新视角的基础上，深入研究一对相互作用的世界的更详细模型，他们称之为双世界。

按照我们正常的标准，其中每个世界都是独立且完整的，并且每一个都充满了所有物质和场的匹配集合。由于数学上的可能，其中还包括那些同时存在于两个世界的场，也就是所谓的两栖场。

这种新模型已经产生了一些耐人寻味的额外结果。他们发现模型的一部分看起来就像现实中的重要的场。更详细的模型依旧表明，两个世界可以解释一个小数值的宇宙学常数，并提供了一些细节，表明双世界会如何在宇宙背景辐射上留下一种明显的特征。

这种特征或许会在现实世界的观测中被发现，也有可能永远不会。而未来更多实验可以确定，这种由石墨烯激发的独特视角，是否值得科学家的更多关注。

#参考来源：https://jqi.umd.edu/news/bilayer-graphene-inspires-two-universe-cosmological-model

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Gaviota