El grafeno bicapa inspira un modelo cosmológico de dos universos

Físicos del Joint Quantum Institute (JQI) de la Universidad de Maryland han explorado la posibilidad imaginativa de que nuestra realidad es solo la mitad de un par de mundos que interactúan.

A los físicos a veces se les ocurren historias locas que suenan a ciencia ficción. Algunos resultan ser ciertas, como que la curvatura del espacio y el tiempo descrita por Einstein finalmente fue confirmada por mediciones astronómicas. Otros permanecen como meras posibilidades o curiosidades matemáticas.

En un nuevo artículo en Physical Review Research, el becario de JQI Victor Galitski y la estudiante graduada de JQI Alireza Parhizkar presentan un modelo matemático que puede proporcionar una nueva perspectiva para observar las características fundamentales de la realidad, incluido por qué nuestro universo se expande de la manera en que lo hace y cómo se relaciona con las longitudes más minúsculas permitidas en la mecánica cuántica. Estos temas son cruciales para comprender nuestro universo y forman parte de uno de los grandes misterios de la física moderna.

La pareja de científicos tropezó con esta nueva perspectiva cuando investigaban sobre láminas de grafeno: capas atómicas individuales de carbono en un patrón hexagonal repetitivo. Se dieron cuenta de que los experimentos sobre las propiedades eléctricas de láminas de grafeno apiladas producían resultados que parecían pequeños universos y que el fenómeno subyacente podría generalizarse a otras áreas de la física. En las pilas de grafeno, surgen nuevos comportamientos eléctricos de las interacciones entre las hojas individuales, por lo que tal vez la física única podría surgir de manera similar de las capas que interactúan en otros lugares, tal vez en las teorías cosmológicas sobre todo el universo.

"Creemos que esta es una idea emocionante y ambiciosa", dice en un comunicado Galitski, quien también es profesor de Física Teórica. "En cierto sentido, es casi sospechoso que funcione tan bien al 'predecir' de forma natural las características fundamentales de nuestro universo, como la inflación y la partícula de Higgs, como describimos en una preimpresión de seguimiento".

Las propiedades eléctricas excepcionales del grafeno apilado y la posible conexión con nuestra realidad de tener un gemelo provienen de la física especial producida por patrones llamados patrones muaré. Los patrones de muaré se forman cuando dos patrones repetidos, desde los hexágonos de los átomos en las hojas de grafeno hasta las rejillas de las pantallas de las ventanas, se superponen y una de las capas se tuerce, se desplaza o se estira.

Los patrones que emergen pueden repetirse a lo largo de mucho tiempo en comparación con los patrones subyacentes. En las pilas de grafeno, los nuevos patrones cambian la física que se desarrolla en las láminas, en particular, el comportamiento de los electrones. En el caso especial llamado "grafeno de ángulo mágico", el patrón muaré se repite en una longitud que es unas 52 veces mayor que la longitud del patrón de las hojas individuales, y el nivel de energía que gobierna el comportamiento de los electrones cae precipitadamente, lo que permite nuevos comportamientos, incluida la superconductividad.

Galitski y Parhizkar se dieron cuenta de que la física en dos láminas de grafeno podría reinterpretarse como la física de dos universos bidimensionales donde los electrones ocasionalmente saltan entre universos. Esto inspiró a la pareja a generalizar las matemáticas para aplicarlas a universos hechos de cualquier número de dimensiones, incluido el nuestro propio de cuatro dimensiones, y a explorar si un fenómeno similar resultante de patrones muaré podría aparecer en otras áreas de la física. Esto inició una línea de investigación que los puso cara a cara con uno de los principales problemas de la cosmología.

"Discutimos si podemos observar la física muaré cuando dos universos reales se fusionan en uno", dice Parhizkar. "¿Qué quieres buscar cuando haces esta pregunta? Primero tienes que saber la escala de longitud de cada universo".

Una escala de longitud, o una escala de un valor físico en general, describe qué nivel de precisión es relevante para lo que sea que esté mirando. Si estás aproximando el tamaño de un átomo, entonces importa una diez mil millonésima parte de un metro, pero esa escala es inútil si estás midiendo un campo de fútbol porque está en una escala diferente. Las teorías de la física ponen límites fundamentales a algunas de las escalas más pequeñas y más grandes que tienen sentido en nuestras ecuaciones.

La escala del universo que preocupaba a Galitski y Parhizkar se llama longitud de Planck y define la longitud más pequeña que es consistente con la física cuántica. La longitud de Planck está directamente relacionada con una constante, llamada constante cosmológica, que se incluye en las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein. En las ecuaciones, la constante influye en si el universo, fuera de las influencias gravitatorias, tiende a expandirse o contraerse.

Esta constante es fundamental para nuestro universo. Entonces, para determinar su valor, los científicos, en teoría, solo necesitan mirar el universo, medir varios detalles, como qué tan rápido se alejan las galaxias, conectar todo en las ecuaciones y calcular cuál debe ser la constante.

Este sencillo plan se enfrenta a un problema porque nuestro universo contiene efectos tanto relativistas como cuánticos. El efecto de las fluctuaciones cuánticas en el vasto vacío del espacio debería influir en los comportamientos incluso a escalas cosmológicas. Pero cuando los científicos intentan combinar la comprensión relativista del universo que nos dio Einstein con las teorías sobre el vacío cuántico, se encuentran con problemas.

Uno de esos problemas es que cada vez que los investigadores intentan usar observaciones para aproximar la constante cosmológica, el valor que calculan es mucho más pequeño de lo que esperarían en base a otras partes de la teoría. Más importante aún, el valor salta dramáticamente dependiendo de la cantidad de detalles que incluyan en la aproximación en lugar de centrarse en un valor constante. Este desafío persistente se conoce como el problema de la constante cosmológica o, a veces, la "catástrofe del vacío".

"Esta es la inconsistencia más grande, con mucho la más grande, entre la medición y lo que podemos predecir mediante la teoría", dice Parhizkar. "Significa que algo anda mal".

Dado que los patrones muaré pueden producir diferencias dramáticas en las escalas, los efectos muaré parecían una lente natural para ver el problema. Galitski y Parhizkar crearon un modelo matemático (al que llaman gravedad muaré) tomando dos copias de la teoría de Einstein de cómo cambia el universo con el tiempo e introduciendo términos adicionales en las matemáticas que permiten que las dos copias interactúen. En lugar de mirar las escalas de energía y longitud en el grafeno, estaban mirando las constantes cosmológicas y las longitudes en los universos.

Jugando con su modelo, demostraron que dos mundos que interactúan con grandes constantes cosmológicas podrían anular el comportamiento esperado de las constantes cosmológicas individuales. Las interacciones producen comportamientos regidos por una constante cosmológica efectiva compartida que es mucho más pequeña que las constantes individuales. El cálculo de la constante cosmológica efectiva evita el problema que tienen los investigadores con el valor de sus aproximaciones saltando porque con el tiempo las influencias de los dos universos en el modelo se anulan entre sí.

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