Les physiciens proposent parfois des histoires folles qui ressemblent à de la science-fiction. Certaines s'avèrent vraies, comme la façon dont la courbure de l'espace et du temps décrite par Einstein a finalement été confirmée par des mesures astronomiques. D'autres s'attardent comme de simples possibilités ou curiosités mathématiques.

Dans un nouvel article de Physical Review Research , le boursier JQI Victor Galitski et l'étudiant diplômé JQI Alireza Parhizkar ont exploré la possibilité imaginative que notre réalité ne soit que la moitié d'une paire de mondes en interaction. Leur modèle mathématique peut fournir une nouvelle perspective pour examiner les caractéristiques fondamentales de la réalité, y compris pourquoi notre univers se dilate comme il le fait et comment cela se rapporte aux longueurs les plus minuscules autorisées en mécanique quantique. Ces sujets sont cruciaux pour comprendre notre univers et font partie de l'un des grands mystères de la physique moderne.

Le couple de scientifiques est tombé sur cette nouvelle perspective lorsqu'ils se sont penchés sur la recherche sur des feuilles de graphène - des couches atomiques uniques de carbone dans un motif hexagonal répétitif. Ils ont réalisé que les expériences sur les propriétés électriques de feuilles de graphène empilées produisaient des résultats qui ressemblaient à de petits univers et que le phénomène sous-jacent pouvait se généraliser à d'autres domaines de la physique. Dans les piles de graphène, de nouveaux comportements électriques découlent des interactions entre les feuilles individuelles, alors peut-être qu'une physique unique pourrait émerger de la même manière des couches en interaction ailleurs, peut-être dans les théories cosmologiques sur l'univers entier.

"Nous pensons que c'est une idée passionnante et ambitieuse", déclare Galitski, qui est également professeur titulaire de la chaire Chesapeake de physique théorique au Département de physique. "Dans un sens, il est presque suspect que cela fonctionne si bien en "prédisant" naturellement les caractéristiques fondamentales de notre univers telles que l'inflation et la particule de Higgs, comme nous l'avons décrit dans une prépublication de suivi."

Les propriétés électriques exceptionnelles du graphène empilé et sa connexion possible à notre réalité ayant un jumeau proviennent de la physique spéciale produite par des motifs appelés motifs de moiré. Les motifs de moiré se forment lorsque deux motifs répétitifs (des hexagones d'atomes dans les feuilles de graphène aux grilles des écrans de fenêtre) se chevauchent et que l'une des couches est tordue, décalée ou étirée.

Les modèles qui émergent peuvent se répéter sur des longueurs qui sont vastes par rapport aux modèles sous-jacents. Dans les empilements de graphène, les nouveaux modèles modifient la physique qui se joue dans les feuilles, notamment les comportements des électrons. Dans le cas particulier appelé "graphène à angle magique", le motif moiré se répète sur une longueur environ 52 fois plus longue que la longueur du motif des feuilles individuelles, et le niveau d'énergie qui régit les comportements des électrons chute précipitamment, permettant de nouveaux comportements , y compris la supraconductivité.

Galitski et Parhizkar ont réalisé que la physique de deux feuilles de graphène pouvait être réinterprétée comme la physique de deux univers bidimensionnels où les électrons sautent occasionnellement entre les univers. Cela a inspiré la paire à généraliser les mathématiques à appliquer à des univers constitués de n'importe quel nombre de dimensions, y compris notre propre univers à quatre dimensions, et à explorer si un phénomène similaire résultant de motifs de moiré pourrait apparaître dans d'autres domaines de la physique. Cela a lancé une enquête qui les a amenés face à face avec l'un des problèmes majeurs de la cosmologie.

"Nous avons discuté de la possibilité d'observer la physique du moiré lorsque deux univers réels fusionnent en un seul", explique Parhizkar. "Que voulez-vous rechercher lorsque vous posez cette question ? Vous devez d'abord connaître l'échelle de longueur de chaque univers."

Une échelle de longueur - ou une échelle de valeur physique en général - décrit le niveau de précision pertinent pour tout ce que vous regardez. Si vous vous rapprochez de la taille d'un atome, alors un dix-milliardième de mètre compte, mais cette échelle est inutile si vous mesurez un terrain de football car il est à une échelle différente. Les théories de la physique imposent des limites fondamentales à certaines des échelles les plus petites et les plus grandes qui ont un sens dans nos équations.

L'échelle de l'univers qui concernait Galitski et Parhizkar est appelée la longueur de Planck, et elle définit la plus petite longueur compatible avec la physique quantique. La longueur de Planck est directement liée à une constante - appelée constante cosmologique - qui est incluse dans les équations de champ d'Einstein de la relativité générale. Dans les équations, la constante détermine si l'univers, en dehors des influences gravitationnelles, tend à se dilater ou à se contracter.

Cette constante est fondamentale pour notre univers. Donc, pour déterminer sa valeur, les scientifiques, en théorie, ont juste besoin de regarder l'univers, de mesurer plusieurs détails, comme la vitesse à laquelle les galaxies s'éloignent les unes des autres, de tout brancher sur les équations et de calculer quelle doit être la constante.

Ce plan simple rencontre un problème car notre univers contient à la fois des effets relativistes et quantiques. L'effet des fluctuations quantiques à travers le vaste vide de l'espace devrait influencer les comportements même à des échelles cosmologiques. Mais lorsque les scientifiques essaient de combiner la compréhension relativiste de l'univers que nous a donnée Einstein avec les théories sur le vide quantique, ils se heurtent à des problèmes.

L'un de ces problèmes est que chaque fois que les chercheurs tentent d'utiliser des observations pour approximer la constante cosmologique, la valeur qu'ils calculent est beaucoup plus petite que ce à quoi ils s'attendraient sur la base d'autres parties de la théorie. Plus important encore, la valeur varie considérablement en fonction de la quantité de détails qu'ils incluent dans l'approximation au lieu de se concentrer sur une valeur cohérente. Ce défi persistant est connu sous le nom de problème constant cosmologique, ou parfois de "catastrophe du vide".

"Il s'agit de la plus grande - et de loin la plus grande - incohérence entre la mesure et ce que nous pouvons prédire par la théorie", déclare Parhizkar. "It means that something is wrong."

Since moiré patterns can produce dramatic differences in scales, moiré effects seemed like a natural lens to view the problem through. Galitski and Parhizkar created a mathematical model (which they call moiré gravity) by taking two copies of Einstein's theory of how the universe changes over time and introducing extra terms in the math that let the two copies interact. Instead of looking at the scales of energy and length in graphene, they were looking at the cosmological constants and lengths in universes.

Galitski says that this idea arose spontaneously when they were working on a seemingly unrelated project that is funded by the John Templeton Foundation and is focused on studying hydrodynamic flows in graphene and other materials to simulate astrophysical phenomena.

Playing with their model, they showed that two interacting worlds with large cosmological constants could override the expected behavior from the individual cosmological constants. The interactions produce behaviors governed by a shared effective cosmological constant that is much smaller than the individual constants. The calculation for the effective cosmological constant circumvents the problem researchers have with the value of their approximations jumping around because over time the influences from the two universes in the model cancel each other out.

"We don't claim—ever—that this solves cosmological constant problem," Parhizkar says. "That's a very arrogant claim, to be honest. This is just a nice insight that if you have two universes with huge cosmological constants—like 120 orders of magnitude larger than what we observe—and if you combine them, there is still a chance that you can get a very small effective cosmological constant out of them."

In preliminary follow up work, Galitski and Parhizkar have started to build upon this new perspective by diving into a more detailed model of a pair of interacting worlds—that they dub "bi-worlds." Each of these worlds is a complete world on its own by our normal standards, and each is filled with matching sets of all matter and fields. Since the math allowed it, they also included fields that simultaneously lived in both worlds, which they dubbed "amphibian fields."

The new model produced additional results the researchers find intriguing. As they put together the math, they found that part of the model looked like important fields that are part of reality. The more detailed model still suggests that two worlds could explain a small cosmological constant and provides details about how such a bi-world might imprint a distinct signature on the cosmic background radiation—the light that lingers from the earliest times in the universe.

This signature could possibly be seen—or definitively not be seen—in real world measurements. So future experiments could determine if this unique perspective inspired by graphene deserves more attention or is merely an interesting novelty in the physicists' toy bin.

"We haven't explored all the effects—that's a hard thing to do, but the theory is falsifiable experimentally, which is a good thing," Parhizkar says. "If it's not falsified, then it's very interesting because it solves the cosmological constant problem while describing many other important parts of physics. I personally don't have my hopes up for that— I think it is actually too big to be true." + Explorer plus loin

Centenary of cosmological constant lambda