Folhas de grafeno revelam que nosso universo pode ter um "irmão gêmeo"

Talvez nosso universo seja apenas um de muitos outros universos paralelos, em um grande e inimaginável multiverso (não são apenas roteiristas de filmes da Marvel que imaginam algo assim; cientistas também). Um novo estudo mostra como folhas de grafeno apresentam padrões semelhantes aos de dois universos em interação.

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Ao estudar camadas atômicas únicas de grafeno, a dupla de pesquisadores Alireza Parhizkar e Victor Galitski encontraram um padrão hexagonal curioso formado pela combinação dos padrões de cada folha individual. Ao empilhar as camadas, novos comportamentos elétricos surgiram pelas interações entre elas.

Esses padrões observados não são exatamente uma novidade — trata-se de algo chamado padrão moiré (pronuncia-se "muarrê"), que surge quando sobrepomos duas camadas, cada qual com seu próprio padrão, e as colocamos em movimento relativo entre si. Assim, vemos uma deformação e novos padrões curiosos.

No caso das folhas empilhadas de grafeno, os padrões de moiré formados ali alteraram as propriedades elétricas da estrutura. Em outras palavras, mudam a física que se desenrola nas camadas, principalmente os comportamentos dos elétrons. O padrão moiré se repete em um comprimento cerca de 52 vezes maior que o comprimento dos padrões individuais.

Além disso, o nível de energia que governa o comportamento dos elétrons cai inesperadamente, permitindo outras propriedades, como a supercondutividade. A dupla de cientistas cogitou então que essa reação poderia apresentar uma nova física que também se revelaria nas camadas sobrepostas formadas por dois mundos (ou universos) interagindo.

Pode parecer um tanto aleatório, mas faz sentido matemático — e ainda por cima funcionou nas simulações realizadas no estudo. Galitski e Parhizkar reinterpretaram a física observada nas folhas como se estivessem acontecendo em dois universos bidimensionais onde os elétrons ocasionalmente pulam de um para o outro. Então, eles aplicaram a mesma matemática a universos com qualquer quantidades de dimensões (incluindo quatro, como o nosso próprio).

Assim, eles exploraram e investigaram se fenômenos semelhantes aos padrões moiré nas folhas de grafeno poderiam aparecer em outras áreas da física. “Discutimos se podemos observar a física moiré quando dois universos reais se fundem em um”, disse Parhizkar. “Primeiro, você tem que saber a escala de comprimento de cada universo”.

A catástrofe do vácuo

Quando Parhizkar menciona escala de comprimento, ele se refere ao comprimento de Plank — o menor comprimento possível nas medidas relacionadas à mecânica quântica. Em medidas inferiores ao comprimento de Plank, a mecânica quântica deixa de prever o comportamento de partículas. É quando os cientistas dizem que “a matemática se quebra”. Um exemplo disso é a singularidade, que habita o coração dos buracos negros.

O comprimento de Planck está também relacionado a algo chamado constante cosmológica, incluída nas equações de campo da relatividade geral de Albert Einstein. O problema dessa constante é que o universo apresenta propriedades gravitacionais e quânticas, duas teorias que, embora já comprovadas inúmeras vezes, ainda são incompatíveis quando se tenta unificá-las.

Esse problema com a constante cosmológica, também conhecida como “catástrofe do vácuo” revela desacordos entre os valores observados da densidade de energia do vácuo e da energia de ponto zero, sugerido pela teoria do campo quântico. Não precisamos entender os detalhes técnicos, mas a discrepância entre os valores é de 120 ordens de magnitude. Os físicos consideram essa a maior discrepância entre teoria e experimento, em toda a ciência.

Como o grafeno ajuda a resolver o problema?

Ainda é cedo para dizer se o problema foi realmente resolvido — até mesmo os autores da nova pesquisa admitem que seria “arrogante demais” afirmar qualquer coisa neste momento. Mas a coincidência foi grande demais para se ignorar, e vale ao menos para constar como uma “curiosidade” matemática.

A dupla criou um modelo baseado nas alterações elétricas das folhas de grafeno e, com ele, mostra que dois mundos em interação com uma grande constante cosmológica compartilhada poderiam substituir o comportamento esperado das constantes cosmológicas individuais em cada um desses mundos. Essa constante cosmológica compartilhada seria muito menor do que as individuais.

Isso é interessante. O estudo está nos mostrando que, se os padrões de moiré formados por dois universos forem reais, podemos ter dois universos com enormes constantes cosmológicas — algo como 120 ordens de magnitude maiores do que observamos em nosso próprio universo — e combiná-los, podemos obter uma constante cosmológica muito pequena como resultado dessa interação.

Note que 120 ordens de magnitude é o valor da discrepância da “catástrofe do vácuo”. Ou seja, nosso universo pode ter uma constante cosmológica grande como esta, e ainda assim apresentar outro valor muito pequeno, devido à interação com um universo paralelo. Funciona tão bem que parece um “truque” matemático.

“Nós não afirmamos — nunca — que isso resolva o problema da constante cosmológica”, diz Parhizkar. O modelo mais detalhado da dupla ainda sugere que esses universos paralelos podem imprimir uma assinatura distinta na radiação cósmica de fundo, então pode ser algo que, um dia, cientistas poderiam observar para comprovar a ideia (ou não, caso ela esteja errada).

“Eu pessoalmente não tenho muitas esperanças para isso — acho que é realmente grande demais para ser verdade”, afirmou Parhizkar. Mas o estudo é, no mínimo, intrigante, e rendeu uma publicação na revista Physical Review Research.

Fonte: Physical Review Research, Joint Quantum Institute, Resonance Science Foundation