按照量子場論的預(yù)言，我們的宇宙應(yīng)該有一個非常大的宇宙學(xué)常數(shù)，它會推動宇宙急速膨脹，以至于近鄰天體發(fā)出的光都來不及到達地球。但現(xiàn)實的觀測結(jié)果與量子場論的預(yù)言差了 120 個數(shù)量級。如何解決這個沖突？有物理學(xué)家提出了一個新奇的模型：兩個宇宙學(xué)常數(shù)非常大的宇宙相互作用，可以在整體上得到一個非常小的宇宙學(xué)常數(shù)。我們的宇宙，會是全部現(xiàn)實的一半嗎？
在之前的推送中，我們講過了宇宙學(xué)常數(shù)幾度起落的歷史。今天，物理學(xué)家普遍接受廣義相對論愛因斯坦場方程中這一項的存在，并試圖用它來解釋宇宙的加速膨脹，而它的現(xiàn)實對應(yīng)物就是大名鼎鼎的“暗能量”。暗能量的性質(zhì)決定著宇宙未來的演化方式，但這種神秘的能量到底是什么，如何從物理學(xué)上描述它，學(xué)界莫衷一是。
然而這還不是最麻煩的問題，更讓物理學(xué)家頭疼的是：量子場論獨立地給出了宇宙學(xué)常數(shù)的預(yù)言值，而這個值與實際的觀測差了 120 個數(shù)量級，這在物理學(xué)里絕對是個災(zāi)難結(jié)果。針對這個“宇宙學(xué)常數(shù)疑難”，物理學(xué)家提出了許多解決方案。而近期，有兩位物理學(xué)家從雙層石墨烯中獲得啟發(fā)，給出了一個新奇的解釋：兩個宇宙學(xué)常數(shù)非常大的宇宙，通過某種相互作用可以在整體上表現(xiàn)出非常小的宇宙學(xué)常數(shù)。如果這個解釋成立，這意味著，我們所生活的宇宙，僅僅是這個完整世界的一半而已。
災(zāi)難的真空能
在量子場論中，有一種能量可以扮演暗能量的角色，這就是“真空能”。量子物理學(xué)不允許存在絕對的“虛無”，即使在看似空無一物的真空中，也會存在能量的漲落：數(shù)量龐大的虛粒子對迅速地產(chǎn)生又湮滅，貢獻了真空能。這種能量充斥在宇宙各處，也會推動宇宙的膨脹。
既然量子場論已經(jīng)有了現(xiàn)成的宇宙膨脹能量來源，那為什么暗能量還會成為一個謎題呢？原因在于，用量子場論計算出的真空能的值，和實際的觀測相差得太遠了。早在上世紀 20 年代，量子力學(xué)創(chuàng)立的早期，物理學(xué)家沃爾夫?qū)?泡利（Wolfgang Pauli）就做過估算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真空能實在太大了，在這種能量的推動下，宇宙會極其迅速地膨脹，以至于近鄰天體發(fā)出的光都無法趕上宇宙膨脹速度，整個可觀測宇宙的范圍甚至達不到現(xiàn)在的月球軌道。而到 1967 年，蘇聯(lián)物理學(xué)家雅科夫?澤爾多維奇（Yakov Zeldovich）正式計算了量子場論中的真空能，這種能量反映在愛因斯坦場方程中就是宇宙學(xué)常數(shù)項，然而這個量子場論版宇宙學(xué)常數(shù)的值和天文觀測得到的值差了 120 個數(shù)量級。
實際上，量子物理學(xué)與廣義相對論描繪的宇宙無法兼容，并不是什么新鮮事。這兩門理論在許多基本物理問題上都有沖突。所以，有物理學(xué)家將宇宙學(xué)常數(shù)疑難視作這種沖突的又一個體現(xiàn)，并相信要解決這個問題，需要等待未來更為完善的物理學(xué)。這些物理學(xué)家在發(fā)展不同的量子引力理論，在新的理論中，時空也會表現(xiàn)出量子效應(yīng)，因而也會像粒子那樣發(fā)生漲落，這種效應(yīng)很可能會消除現(xiàn)有量子場論中巨大的宇宙學(xué)常數(shù)帶來的影響。然而建立量子引力理論是一項浩大的工程，牽扯到物理學(xué)的方方面面，而目前物理學(xué)界仍然處在探索階段，并沒有公認的理論。
那么在寄希望于未來的新物理學(xué)之外，還有什么解決宇宙學(xué)常數(shù)疑難的辦法？今年 5 月發(fā)表于《物理評論快報》的一項研究中，研究人員運用新的宇宙模型提供了一種解決辦法：如果兩個宇宙像雙層石墨烯那樣相互作用，它們在整體上會表現(xiàn)出新的特性，這其中就包括一個大小合適的宇宙學(xué)常數(shù)。
雙宇宙模型
來自美國馬里蘭大學(xué)的維克多?加利茨基（Victor Galitski）和阿里雷扎?帕里茲卡爾（Alireza Parhizkar）給出了這個新的宇宙模型，而他們的靈感來自于看起來和宇宙學(xué)毫不相干的領(lǐng)域 —— 雙層石墨烯。
石墨烯是碳原子以六邊形晶格排列成的二維材料。如果將兩層石墨烯以特殊的方式堆疊在一起 —— 比如兩層石墨烯錯開一個角度，或者兩層石墨烯的晶格大小不同，就會產(chǎn)生干涉圖案，這被稱為“莫爾紋”（Moiré pattern）。這種干涉圖案改變的不只是雙層石墨烯的外觀，還改變了材料的能帶分布，進而改變電子的行為。一些按特定角度錯開堆疊的雙層石墨烯會表現(xiàn)出超導(dǎo)性、鐵磁性等單層石墨烯并不具備的性質(zhì)，它們也因此被稱為“魔角石墨烯”。
加利茨基和帕里茲卡爾借用了描述雙層石墨烯的物理模型，加以修改使之適用于宇宙學(xué)。在這個被稱為“莫爾引力”（Moiré gravity）的模型中，有兩個獨立而完整的宇宙分別按照廣義相對論的規(guī)律演化，但是它們的一部分物質(zhì)場是共有的，也就是所謂的“兩棲場”（amphibian field）。這意味著，一些費米子會在兩個宇宙間發(fā)生隧穿，就像雙層石墨烯中的電子那樣。在這個雙宇宙模型中，每個宇宙都像量子場論預(yù)測的那樣，具有非常大的宇宙學(xué)常數(shù)。但是兩個宇宙在相互作用下，在整體上得到了一個非常小的宇宙學(xué)常數(shù)，接近于我們的現(xiàn)實世界的觀測數(shù)值。也就是說，實際觀測之所以和量子場論的預(yù)測相差那么大，是因為我們漏掉了對另一個宇宙的觀測。
那么模型中的另一個宇宙，可否通過觀測來驗證它的存在呢？研究人員表示，另一個宇宙如果真的存在，它應(yīng)該會在我們宇宙的微波背景輻射中留下印記。然而研究人員也補充說，他們并沒有宣稱解決了宇宙學(xué)常數(shù)疑難 —— 那樣太過傲慢，他們希望雙宇宙模型可以提供新的視角，啟發(fā)物理學(xué)家尋找日常材料和現(xiàn)實宇宙之間的關(guān)系。
原論文：
https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.4.L022027
參考資料：
https://phys.org/news/2022-05-bilayer-graphene-two-universe-cosmological.html
本文來自微信公眾號：環(huán)球科學(xué) （ID：huanqiukexue），撰文：白德凡 審校：王昱
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