我们生活的宇宙,只是全部现实的一半吗?

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我们生活的宇宙,只是全部现实的一半吗?-第1张图片-大千世界


  图片来源:Pixabay

  按照量子场论的预言,我们的宇宙应该有一个非常大的宇宙学常数,它会推动宇宙急速膨胀,以至于近邻天体发出的光都来不及到达地球。但现实的观测结果与量子场论的预言差了 120 个数量级。如何解决这个冲突?有物理学家提出了一个新奇的模型:两个宇宙学常数非常大的宇宙相互作用,可以在整体上得到一个非常小的宇宙学常数。我们的宇宙,会是全部现实的一半吗?

  在之前的推送中,我们讲过了宇宙学常数几度起落的历史。今天,物理学家普遍接受广义相对论爱因斯坦场方程中这一项的存在,并试图用它来解释宇宙的加速膨胀,而它的现实对应物就是大名鼎鼎的“暗能量”。暗能量的性质决定着宇宙未来的演化方式,但这种神秘的能量到底是什么,如何从物理学上描述它,学界莫衷一是。

  然而这还不是最麻烦的问题,更让物理学家头疼的是:量子场论独立地给出了宇宙学常数的预言值,而这个值与实际的观测差了 120 个数量级,这在物理学里绝对是个灾难结果。针对这个“宇宙学常数疑难”,物理学家提出了许多解决方案。而近期,有两位物理学家从双层石墨烯中获得启发,给出了一个新奇的解释:两个宇宙学常数非常大的宇宙,通过某种相互作用可以在整体上表现出非常小的宇宙学常数。如果这个解释成立,这意味着,我们所生活的宇宙,仅仅是这个完整世界的一半而已。

  灾难的真空能

  在量子场论中,有一种能量可以扮演暗能量的角色,这就是“真空能”。量子物理学不允许存在绝对的“虚无”,即使在看似空无一物的真空中,也会存在能量的涨落:数量庞大的虚粒子对迅速地产生又湮灭,贡献了真空能。这种能量充斥在宇宙各处,也会推动宇宙的膨胀。

  

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  即使在真空中,也时刻有虚粒子迅速地成对生成和湮灭(图片来源:Ahmed Neutron / Wikipedia)

  既然量子场论已经有了现成的宇宙膨胀能量来源,那为什么暗能量还会成为一个谜题呢?原因在于,用量子场论计算出的真空能的值,和实际的观测相差得太远了。早在上世纪 20 年代,量子力学创立的早期,物理学家沃尔夫冈・泡利(Wolfgang Pauli)就做过估算,结果发现真空能实在太大了,在这种能量的推动下,宇宙会极其迅速地膨胀,以至于近邻天体发出的光都无法赶上宇宙膨胀速度,整个可观测宇宙的范围甚至达不到现在的月球轨道。而到 1967 年,苏联物理学家雅科夫・泽尔多维奇(Yakov Zeldovich)正式计算了量子场论中的真空能,这种能量反映在爱因斯坦场方程中就是宇宙学常数项,然而这个量子场论版宇宙学常数的值和天文观测得到的值差了 120 个数量级。

  实际上,量子物理学与广义相对论描绘的宇宙无法兼容,并不是什么新鲜事。这两门理论在许多基本物理问题上都有冲突。所以,有物理学家将宇宙学常数疑难视作这种冲突的又一个体现,并相信要解决这个问题,需要等待未来更为完善的物理学。这些物理学家在发展不同的量子引力理论,在新的理论中,时空也会表现出量子效应,因而也会像粒子那样发生涨落,这种效应很可能会消除现有量子场论中巨大的宇宙学常数带来的影响。然而建立量子引力理论是一项浩大的工程,牵扯到物理学的方方面面,而目前物理学界仍然处在探索阶段,并没有公认的理论。

  那么在寄希望于未来的新物理学之外,还有什么解决宇宙学常数疑难的办法?今年 5 月发表于《物理评论快报》的一项研究中,研究人员运用新的宇宙模型提供了一种解决办法:如果两个宇宙像双层石墨烯那样相互作用,它们在整体上会表现出新的特性,这其中就包括一个大小合适的宇宙学常数。

  双宇宙模型

  来自美国马里兰大学的维克多・加利茨基(Victor Galitski)和阿里雷扎・帕里兹卡尔(Alireza Parhizkar)给出了这个新的宇宙模型,而他们的灵感来自于看起来和宇宙学毫不相干的领域 —— 双层石墨烯。

  石墨烯是碳原子以六边形晶格排列成的二维材料。如果将两层石墨烯以特殊的方式堆叠在一起 —— 比如两层石墨烯错开一个角度,或者两层石墨烯的晶格大小不同,就会产生干涉图案,这被称为“莫尔纹”(Moiré pattern)。这种干涉图案改变的不只是双层石墨烯的外观,还改变了材料的能带分布,进而改变电子的行为。一些按特定角度错开堆叠的双层石墨烯会表现出超导性、铁磁性等单层石墨烯并不具备的性质,它们也因此被称为“魔角石墨烯”。

  

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  两张画满条纹的平板错开一定角度堆叠,就会形成莫尔纹(图片来源:P. Fraundorf / Wikipedia)

  加利茨基和帕里兹卡尔借用了描述双层石墨烯的物理模型,加以修改使之适用于宇宙学。在这个被称为“莫尔引力”(Moiré gravity)的模型中,有两个独立而完整的宇宙分别按照广义相对论的规律演化,但是它们的一部分物质场是共有的,也就是所谓的“两栖场”(amphibian field)。这意味着,一些费米子会在两个宇宙间发生隧穿,就像双层石墨烯中的电子那样。在这个双宇宙模型中,每个宇宙都像量子场论预测的那样,具有非常大的宇宙学常数。但是两个宇宙在相互作用下,在整体上得到了一个非常小的宇宙学常数,接近于我们的现实世界的观测数值。也就是说,实际观测之所以和量子场论的预测相差那么大,是因为我们漏掉了对另一个宇宙的观测。

  那么模型中的另一个宇宙,可否通过观测来验证它的存在呢?研究人员表示,另一个宇宙如果真的存在,它应该会在我们宇宙的微波背景辐射中留下印记。然而研究人员也补充说,他们并没有宣称解决了宇宙学常数疑难 —— 那样太过傲慢,他们希望双宇宙模型可以提供新的视角,启发物理学家寻找日常材料和现实宇宙之间的关系。

  原论文:

  https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.4.L022027

  参考资料:

  https://phys.org/news/2022-05-bilayer-graphene-two-universe-cosmological.html


标签: 宇宙

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