Os físicos às vezes inventam histórias malucas que parecem ficção científica. Algumas se revelam verdadeiras, como a forma como a curvatura do espaço e do tempo descrita por Einstein acabou sendo confirmada por medições astronômicas. Outros permanecem como meras possibilidades ou curiosidades matemáticas.
Em um novo artigo na Physical Review Research, o JQI Fellow Victor Galitski e a estudante de pós-graduação da JQI Alireza Parhizkar exploraram a possibilidade imaginativa de que nossa realidade é apenas metade de um par de mundos em interação. Seu modelo matemático pode fornecer uma nova perspectiva para observar as características fundamentais da realidade – incluindo por que nosso universo se expande da maneira que faz e como isso se relaciona com os comprimentos mais minúsculos permitidos na mecânica quântica. Esses tópicos são cruciais para a compreensão do nosso universo e fazem parte de um dos grandes mistérios da física moderna.
A dupla de cientistas se deparou com essa nova perspectiva quando estavam pesquisando sobre folhas de grafeno – camadas atômicas únicas de carbono em um padrão hexagonal repetido. Eles perceberam que experimentos sobre as propriedades elétricas de folhas empilhadas de grafeno produziam resultados que pareciam pequenos universos e que o fenômeno subjacente poderia se generalizar para outras áreas da física. Em pilhas de grafeno, novos comportamentos elétricos surgem de interações entre as folhas individuais, então talvez uma física única possa emergir da mesma forma de camadas interativas em outros lugares – talvez em teorias cosmológicas sobre todo o universo.
“Achamos que esta é uma ideia empolgante e ambiciosa”, diz Galitski, que também é professor da cadeira Chesapeake de Física Teórica no Departamento de Física. “De certa forma, é quase suspeito que funcione tão bem ao ‘prever’ naturalmente características fundamentais do nosso universo, como a inflação e a partícula de Higgs, como descrevemos em uma pré-impressão de acompanhamento”.
As propriedades elétricas excepcionais do grafeno empilhado e a possível conexão com a nossa realidade de ter um gêmeo vem da física especial produzida por padrões chamados padrões moiré. Padrões moiré se formam quando dois padrões repetidos – qualquer coisa, desde os hexágonos de átomos em folhas de grafeno até as grades das telas das janelas – se sobrepõem e uma das camadas é torcida, deslocada ou esticada.
Os padrões que surgem podem se repetir em comprimentos vastos em comparação com os padrões subjacentes. Nas pilhas de grafeno, os novos padrões alteram a física que se desenrola nas folhas, principalmente os comportamentos dos elétrons. No caso especial chamado “grafeno de ângulo mágico”, o padrão moiré se repete em um comprimento cerca de 52 vezes maior que o comprimento do padrão das folhas individuais, e o nível de energia que governa os comportamentos dos elétrons cai vertiginosamente, permitindo novos comportamentos , incluindo supercondutividade.
Galitski e Parhizkar perceberam que a física em duas folhas de grafeno poderia ser reinterpretada como a física de dois universos bidimensionais onde os elétrons ocasionalmente pulam entre universos. Isso inspirou a dupla a generalizar a matemática para aplicar a universos feitos de qualquer número de dimensões, incluindo o nosso próprio quadridimensional, e explorar se fenômenos semelhantes resultantes de padrões moiré podem aparecer em outras áreas da física. Isso deu início a uma linha de investigação que os colocou frente a frente com um dos maiores problemas da cosmologia.
“Discutimos se podemos observar a física moiré quando dois universos reais se fundem em um”, diz Parhizkar. “O que você quer procurar quando está fazendo essa pergunta? Primeiro você tem que saber a escala de comprimento de cada universo.”
Uma escala de comprimento – ou uma escala de valor físico em geral – descreve qual nível de precisão é relevante para o que você está olhando. Se você está aproximando o tamanho de um átomo, então um décimo de bilionésimo de metro importa, mas essa escala é inútil se você estiver medindo um campo de futebol porque está em uma escala diferente. As teorias da física colocam limites fundamentais em algumas das menores e maiores escalas que fazem sentido em nossas equações.
A escala do universo que dizia respeito a Galitski e Parhizkar é chamada de comprimento de Planck e define o menor comprimento que é consistente com a física quântica. O comprimento de Planck está diretamente relacionado a uma constante — chamada constante cosmológica — que está incluída nas equações de campo da relatividade geral de Einstein. Nas equações, a constante influencia se o universo – fora das influências gravitacionais – tende a se expandir ou contrair.
Essa constante é fundamental para o nosso universo. Então, para determinar seu valor, os cientistas, em teoria, só precisam olhar para o universo, medir vários detalhes, como a rapidez com que as galáxias estão se afastando umas das outras, inserir tudo nas equações e calcular qual deve ser a constante.
Esse plano direto apresenta um problema porque nosso universo contém efeitos relativísticos e quânticos. O efeito das flutuações quânticas no vasto vácuo do espaço deve influenciar comportamentos mesmo em escalas cosmológicas. Mas quando os cientistas tentam combinar a compreensão relativista do universo que nos foi dada por Einstein com as teorias sobre o vácuo quântico, eles se deparam com problemas.
Um desses problemas é que sempre que os pesquisadores tentam usar observações para aproximar a constante cosmológica, o valor que eles calculam é muito menor do que eles esperariam com base em outras partes da teoria. Mais importante, o valor salta dramaticamente dependendo da quantidade de detalhes que eles incluem na aproximação, em vez de se concentrar em um valor consistente. Esse desafio persistente é conhecido como o problema da constante cosmológica, ou às vezes a “catástrofe do vácuo”.
“Esta é a maior – de longe a maior – inconsistência entre a medição e o que podemos prever pela teoria”, diz Parhizkar. “Isso significa que algo está errado.”
Como os padrões de moiré podem produzir diferenças dramáticas nas escalas, os efeitos de moiré pareciam uma lente natural para ver o problema. Galitski e Parhizkar criaram um modelo matemático (que eles chamam de gravidade moiré) tomando duas cópias da teoria de Einstein de como o universo muda ao longo do tempo e introduzindo termos extras na matemática que permitem que as duas cópias interajam. Em vez de olhar para as escalas de energia e comprimento no grafeno, eles estavam olhando para as constantes cosmológicas e comprimentos nos universos.
Galitski diz que essa ideia surgiu espontaneamente quando eles estavam trabalhando em um projeto aparentemente não relacionado que é financiado pela Fundação John Templeton e está focado no estudo de fluxos hidrodinâmicos em grafeno e outros materiais para simular fenômenos astrofísicos.
Brincando com seu modelo, eles mostraram que dois mundos em interação com grandes constantes cosmológicas poderiam substituir o comportamento esperado das constantes cosmológicas individuais. As interações produzem comportamentos governados por uma constante cosmológica efetiva compartilhada que é muito menor do que as constantes individuais. O cálculo para a constante cosmológica efetiva contorna o problema que os pesquisadores têm com o valor de suas aproximações saltando porque ao longo do tempo as influências dos dois universos no modelo se cancelam.
“Nós não afirmamos – nunca – que isso resolve o problema da constante cosmológica”, diz Parhizkar. “Aquilo é uma afirmação muito arrogante, para ser honesto. Este é apenas um bom insight de que, se você tiver dois universos com enormes constantes cosmológicas – como 120 ordens de magnitude maiores do que observamos – e se você combiná-los, ainda há uma chance de obter uma constante cosmológica efetiva muito pequena. deles.”
No trabalho de acompanhamento preliminar, Galitski e Parhizkar começaram a construir sobre essa nova perspectiva mergulhando em um modelo mais detalhado de um par de mundos em interação – que eles chamam de “bi-mundos”. Cada um desses mundos é um mundo completo por si só por nossos padrões normais, e cada um é preenchido com conjuntos correspondentes de todas as matérias e campos. Como a matemática permitia, eles também incluíam campos que viviam simultaneamente em ambos os mundos, que eles chamavam de “campos anfíbios”.
O novo modelo produziu resultados adicionais que os pesquisadores consideram intrigantes. Ao juntarem as contas, descobriram que parte do modelo parecia campos importantes que fazem parte da realidade. O modelo mais detalhado ainda sugere que dois mundos poderiam explicar uma pequena constante cosmológica e fornece detalhes sobre como esse bimundo pode imprimir uma assinatura distinta na radiação cósmica de fundo – a luz que perdura desde os primeiros tempos do universo.
Essa assinatura poderia ser vista – ou definitivamente não ser vista – em medições do mundo real. Assim, experimentos futuros podem determinar se essa perspectiva única inspirada no grafeno merece mais atenção ou é apenas uma novidade interessante na lixeira dos físicos.
“Nós não exploramos todos os efeitos – isso é uma coisa difícil de fazer, mas a teoria é falsificável experimentalmente, o que é uma coisa boa”, diz Parhizkar. “Se não for falsificado, então é muito interessante porque resolve o problema da constante cosmológica enquanto descreve muitas outras partes importantes da física. Eu pessoalmente não tenho muitas esperanças para isso – acho que é realmente grande demais para ser verdade.”
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