Znajdź zawartość

Czy liczba wymiarów, w których żyjemy, zawsze była taka sama? Fizyk Dejan Stojkovic wraz z kolegami z uniwersytetu w Buffalo zaproponowali nową, ciekawą wizję młodego wszechświata. Naukowcy zasugerowali że w pierwszych chwilach trwania wszechświat posiadał tylko jeden wymiar - istniał jako linia ciągła. Dopiero podczas dalszej ekspansji pojawiały się kolejne wymiary - linia przekształciła się w płaszczyznę, dalej w trójwymiarową przestrzeń i ostatecznie w czasoprzestrzeń. Co ciekawe, jest możliwe, że w przyszłości w wyniku ekspansji nasz wszechświat uzyska kolejne, dodatkowe wymiary. Okazuje się, że proponowana hipoteza wyjaśniłaby kilka ważnych kwestii związanych z fizyką cząstek elementarnych z którymi naukowcy nie potrafili sobie poradzić. Wśród nich są: niezgodności pomiędzy mechaniką kwantową a ogólną teorią względności, obserwowalne przyspieszanie rozszerzania wszechświata oraz konieczności zawyżenia masy hipotetycznego bozonu Higgsa. Wszystkie te niejasności znikają kiedy zredukujemy liczbę wymiarów w młodym wszechświecie. W nowym wydaniu Physical Review Letters Stojkovic i Jonas Mureika przedstawiają doświadczenie które mogłoby potwierdzić wysunięta przez Stojkovica hipotezę "znikających wymiarów". Fale grawitacyjne, podobnie jak światło, potrzebują czasu aby dotrzeć do Ziemi. Obserwując te fale de facto oglądamy historię wszechświata. Im dalej spoglądamy tym starszą widzimy jego historię. Ponieważ fale grawitacyjne nie mogą istnieć w jedno- ani dwuwymiarowej przestrzeni, obserwacje najbardziej odległych rejonów wszechświata powinny udowodnić ich nieobecność w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. Szansą na potwierdzenie tej hipotezy jest uruchomienie projektu LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Niestety rozpoczęcie obserwacji planowane jest nie wcześniej niż w roku 2018 Jednak już teraz przeprowadzono pewne eksperymenty wskazujące na istnienie przestrzeni o mniejszej ilości wymiarów. Naukowcy zaobserwowali że strumienie promieniowania kosmicznego o energii przekraczającej 1 TeV (wartości porównywalnej do wartości energii w początkowym wszechświecie) ulegają rozproszeniu jakby znajdowały się w płaszczyźnie dwuwymiarowej. Również prace fizyków z Wielkiego Zderzacza Hadronów (Large Hadron Collider), poszukujących bozonu Higgsa mogą przyczynić się do potwierdzenia hipotezy "znikających wymiarów". W zderzeniach obserwuje się tam cząstki biegnące w przeciwnych kierunkach. To zagadkowe zjawisko nie zostało do tej pory wyjaśnione. Pisaliśmy o tym wcześniej.

Abdulaziz Alhaidari wraz ze współpracownikami z Saudyjskiego Centrum Fizyki Teoretycznej wysunęli hipotezę, że wśród niezwykłych cech grafenu znajduje się również... możliwość tworzenia masy. Jednym z najbardziej interesujących pomysłów dotyczących grafenu jest nadzieja, że materiał ten będzie mógł służyć do prowadzenia eksperymentów na gruncie fizyki relatywistycznej. Okazało się bowiem, że właściwości elektroniczne grafenu można dostosować tak, że elektrony i dziury poruszające się z prędkością miliona metrów na sekundę są matematycznym odpowiednikiem zachowania elektronów podróżujących w próżni z prędkością bliską prędkości światła. To oznacza, że elektrony nie podlegają konwencjonalnemu równaniu Schrodingera, ale równaniu Diraca, wykorzystywanemu w fizyce relatywistycznej. Równanie Diraca nie bierze pod uwagę masy, a zatem elektrony i dziury zachowują się tak, jakby nie miały masy. Spostrzeżenie takie jest niezwykle ważne dla badań, gdyż dotychczas relatywistyczne zachowanie elektronów mogli obserwować tylko ci naukowcy, którzy mieli dostęp do akceleratorów cząstek. Teraz badać je będzie mogło każde laboratorium dysponujące grafenem. Takie właściwości mogą też oznaczać powstanie urządzeń elektronicznych korzystających z zasad fizyki relatywistycznej. Uczeni rozważając czym jest masa spekulują, że występuje ona dlatego, że wszechświat ma dodatkowe wymiary, które istnieją tylko w najmniejszej skali. Wymiary te są uzwarcone. Takie wymiary mają niezwykły wpływ na mechanikę kwantową zmieniając dotyczące jej równania tak, że zawierają masę. Stąd, w teorii, bierze się masa. Alhaidari i jego zespół spekulują, że podobny efekt może występować w grafenie jeśli znajdujące się w nim wymiary zostaną uzwarcone (skompaktyfikowane). Grafen, jak wiemy, jest strukturą dwuwymiarową. Jeśliby zatem udało się zmniejszyć liczbę wymiarów grafenu z dwóch do jednego, wówczas równania opisujące zachowanie elektronów i dziur w grafenie - które, jak pamiętamy, nie biorą pod uwagę masy - zmieniłyby się w takie, które biorą pod uwagę masę. W wyniku tego, uzwarcenie wymiarów stworzyłoby masę. Saudyjscy uczeni wiedzą też, w jaki sposób można skompaktyfikować wymiary grafenu. To bardzo proste zadanie. Wystarczy płachtę grafenu zwinąć w rurkę. Z punktu widzenia elektronów i dziur taka struktura będzie jednowymiarowa. Wywody Abdulaziza Alhaidariego są niezwykłe. Jeśli bowiem uczony ma rację, będzie to oznaczało, że generowanie czy niszczenie masy może odbywać się za pomocą zwykłej zmiany geometrii grafenu. Z dokumentem Dynamical mass generation via space compactification in graphene [PDF] można zapoznać się w sieci.