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 Pesquisa de Revisão Física , JQI Fellow Victor Galitski e JQI estudante de pós-graduação 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 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 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." + Explorar mais

Centenary of cosmological constant lambda