V "temni dimenziji" fiziki iščejo manjkajočo snov | Revija Quanta

Ko gre za razumevanje strukture vesolja, je večina tistega, kar znanstveniki mislijo, da obstaja, predano temačni, temačni domeni. Navadne snovi, stvari, ki jih lahko vidimo in se dotaknemo, predstavljajo le 5 % vesolja. Ostalo, pravijo kozmologi, je temna energija in temna snov, skrivnostni snovi, ki so označene kot "temne", deloma zato, da odražajo našo nevednost o njihovi resnični naravi.

Čeprav nobena ideja verjetno ne bo pojasnila vsega, kar upamo, da bomo vedeli o vesolju, bi lahko ideja, predstavljena pred dvema letoma, odgovorila na nekaj velikih vprašanj. Poklicali scenarij temne dimenzije, ponuja poseben recept za temno snov in nakazuje tesno povezavo med temno snovjo in temno energijo. Scenarij nam lahko tudi pove, zakaj je gravitacija – ki oblikuje vesolje v največjih merilih – tako šibka v primerjavi z drugimi silami.

Scenarij predlaga še nevideno dimenzijo, ki živi v že tako zapletenem področju teorije strun, ki poskuša poenotiti kvantno mehaniko in Einsteinovo teorijo gravitacije. Poleg štirih znanih dimenzij - treh neskončno velikih prostorskih dimenzij in ene časovne - teorija strun nakazuje, da obstaja šest izjemno majhnih prostorskih dimenzij.

V vesolju temne dimenzije je ena od teh dodatnih dimenzij znatno večja od ostalih. Namesto da bi bil 100-milijonkrat manjši od premera protona, meri približno 1 mikron v premeru - minuto po vsakdanjih standardih, a ogromen v primerjavi z drugimi. Masivni delci, ki nosijo gravitacijsko silo, nastajajo v tej temni dimenziji in sestavljajo temno snov, za katero znanstveniki menijo, da obsega približno 25 % našega vesolja in tvori lepilo, ki drži galaksije skupaj. (Trenutne ocene pravijo, da preostalih 70 % sestavlja temna energija, ki poganja širjenje vesolja.)

Scenarij "omogoča, da vzpostavimo povezave med teorijo strun, kvantno gravitacijo, fiziko delcev in kozmologijo, [medtem] pa obravnavamo nekatere skrivnosti, povezane z njimi," je dejal. Ignatios Antoniadis, fizik na Univerzi Sorbona, ki aktivno raziskuje predlog temne dimenzije.

Čeprav še ni dokazov, da temna dimenzija obstaja, scenarij daje preizkušljive napovedi tako za kozmološka opazovanja kot za namizno fiziko. To pomeni, da nam morda ne bo treba dolgo čakati, da vidimo, ali bo hipoteza zdržala pod empiričnim nadzorom - ali pa bo potisnjena na seznam mamljivih idej, ki nikoli niso izpolnile prvotne obljube.

"Tukaj je predvidena temna dimenzija," je rekel fizik Rajesh Gopakumar, direktor Mednarodnega centra za teoretične znanosti v Bengaluruju, ima "to vrlino, da ga je mogoče dokaj enostavno izključiti, ko prihajajoči poskusi postajajo vse bolj ostri."

Vedeževanje temne dimenzije

Temno dimenzijo je navdihnila dolgotrajna skrivnost v zvezi s kozmološko konstanto – izrazom, označenim z grško črko lambda, ki ga je Albert Einstein uvedel v svoje enačbe gravitacije leta 1917. Verjel je v statično vesolje, tako kot mnogi njegovi vrstniki , je Einstein dodal izraz, da enačbe ne bi opisovale širitvenega vesolja. Toda v dvajsetih letih 1920. stoletja so astronomi odkrili, da vesolje res narašča, leta 1998 pa so opazili, da raste s pospešeno rastjo, ki jo poganja tisto, kar danes običajno imenujemo temna energija - ki jo lahko v enačbah označimo tudi z lambdo.

Od takrat se znanstveniki ubadajo z eno osupljivo lastnostjo lambde: njena ocenjena vrednost 10^-122 v Planckovih enotah je "najmanjši izmerjeni parameter v fiziki," je rekel Cumrun Vafa, fizik na univerzi Harvard. Leta 2022 ob upoštevanju te skoraj nedoumljive majhnosti z dvema članoma njegove raziskovalne skupine — Miguel Montero, zdaj na madridskem inštitutu za teoretično fiziko, in Irene Valenzuela, trenutno v CERN-u – Vafa je imel vpogled: tako majhna lambda je resnično ekstremen parameter, kar pomeni, da bi ga lahko obravnavali v okviru Vafinega prejšnjega dela na področju teorije strun.

Pred tem so on in drugi oblikovali domnevo, ki pojasnjuje, kaj se zgodi, ko pomemben fizični parameter prevzame ekstremno vrednost. Imenuje se domneva o razdalji in se nanaša na »razdaljo« v abstraktnem smislu: ko se parameter premakne proti oddaljenemu robu možnosti in s tem prevzame ekstremno vrednost, bodo posledice za druge parametre.

Tako v enačbah teorije strun ključne vrednosti - kot so mase delcev, lambda ali sklopitvene konstante, ki narekujejo moč interakcij - niso določene. Spreminjanje enega neizogibno vpliva na druge.

Na primer, izredno majhno lambdo, kot je bilo opaženo, bi morali spremljati veliko lažji, šibko medsebojno delujoči delci z masami, neposredno povezanimi z vrednostjo lambde. "Kaj bi lahko bili?" se je spraševala Vafa.

Ko so on in njegovi kolegi razmišljali o tem vprašanju, so spoznali, da sta domneva o razdalji in teorija strun skupaj zagotovila še en ključni vpogled: da se ti lahki delci pojavijo, ko je lambda skoraj enaka nič, mora biti ena od dodatnih dimenzij teorije strun znatno večja od drugi — morda dovolj veliki, da lahko zaznamo njegovo prisotnost in jo celo izmerimo. Prišli so v temno dimenzijo.

The Dark Tower

Da bi razumeli nastanek sklepanih svetlobnih delcev, moramo kozmološko zgodovino previti nazaj na prvo mikrosekundo po velikem poku. V tem času je v kozmosu prevladovalo sevanje - fotoni in drugi delci, ki so se gibali blizu svetlobne hitrosti. Ti delci so že opisani v standardnem modelu fizike delcev, toda v scenariju temne dimenzije se lahko pojavi družina delcev, ki niso del standardnega modela, ko znani delci trčijo skupaj.

"Ti delci sevanja so vsake toliko časa trčili drug ob drugega in ustvarili tako imenovane 'temne gravitone'," je dejal Georges Obied, fizik na Univerzi v Oxfordu, ki je pomagal pri izdelavi teorija temnih gravitonov.

Običajno fiziki definirajo gravitone kot brezmasne delce, ki potujejo s svetlobno hitrostjo in prenašajo gravitacijsko silo, podobno kot brezmasni fotoni, ki prenašajo elektromagnetno silo. Toda v tem scenariju, kot je pojasnil Obied, so ti zgodnji trki ustvarili drugačno vrsto gravitona - nekaj z maso. Poleg tega so izdelali vrsto različnih gravitonov.

"Obstaja en brezmasni graviton, ki je običajen graviton, ki ga poznamo," je dejal Obied. "In potem obstaja neskončno veliko kopij temnih gravitonov, ki so vsi ogromni." Mase domnevnih temnih gravitonov so, grobo rečeno, celo število krat konstanta, M, katerega vrednost je vezana na kozmološko konstanto. In obstaja jih cel "stolp" s širokim razponom mas in energijskih ravni.

Da bi dobili občutek, kako vse to lahko deluje, si predstavljajte naš štiridimenzionalni svet kot površino krogle. Te površine ne moremo zapustiti nikoli – v dobrem ali slabem – in to velja tudi za vsak delec v standardnem modelu.

Gravitoni pa lahko gredo povsod, iz istega razloga, kot je gravitacija povsod. In tu nastopi temna dimenzija.

Da bi si predstavljali to dimenzijo, je rekel Vafa, pomislite na vsako točko na namišljeni površini našega štiridimenzionalnega sveta in nanjo pritrdite majhno zanko. Ta zanka je (vsaj shematično) dodatna dimenzija. Če dva delca standardnega modela trčita in ustvarita graviton, lahko graviton "uhaja v ta ekstradimenzionalni krog in potuje okoli njega kot val," je dejal Vafa. (Kvantna mehanika nam pove, da se lahko vsak delec, vključno z gravitoni in fotoni, obnaša tako kot delec kot kot val – 100 let star koncept, znan kot dvojnost delca valovanja.)

Ko gravitoni uhajajo v temno dimenzijo, imajo lahko valovi, ki jih proizvajajo, različne frekvence, od katerih vsaka ustreza različnim nivojem energije. In ti masivni gravitoni, ki potujejo okoli ekstradimenzionalne zanke, povzročijo pomemben gravitacijski vpliv na točki, kjer se zanka pritrdi na kroglo.

"Mogoče je to temna snov?" se je zamislila Vafa. Gravitoni, ki so jih izdelali, so bili navsezadnje šibko medsebojno povezani, vendar so bili sposobni zbrati nekaj gravitacijske teže. Ena od prednosti ideje, je opozoril, je, da so gravitoni del fizike že 90 let, saj so bili najprej predlagani kot nosilci gravitacijske sile. (Opozoriti je treba, da so gravitoni hipotetični delci in niso bili neposredno odkriti.) Da bi razložili temno snov, »ni treba uvesti novega delca,« je dejal.

Gravitoni, ki lahko uhajajo v ekstradimenzionalno domeno, so "naravni kandidati za temno snov," je dejal Georgi Dvali, direktor Inštituta Maxa Plancka za fiziko, ki ne dela neposredno na ideji temne dimenzije.

Velika dimenzija, kot je postavljena temna dimenzija, bi imela prostor za dolge valovne dolžine, kar pomeni nizkofrekvenčne, nizkoenergijske delce z majhno maso. Toda če bi temni graviton ušel v eno od majhnih dimenzij teorije strun, bi bila njegova valovna dolžina izjemno kratka, masa in energija pa zelo veliki. Supermasivni delci, kot je ta, bi bili nestabilni in zelo kratkotrajni. "Že zdavnaj jih ne bi bilo več," je dejal Dvali, "ne da bi imeli možnost služiti kot temna snov v sedanjem vesolju."

Gravitacija in njeni nosilci, gravitoni, prežemajo vse razsežnosti teorije strun. Toda temna dimenzija je toliko večja - za veliko velikosti - od drugih dodatnih dimenzij, da bi se moč gravitacije zmanjšala, zaradi česar bi bila videti šibka v našem štiridimenzionalnem svetu, če bi opazno pronicala v prostornejšo temno dimenzijo . "To pojasnjuje izjemno razliko [v moči] med gravitacijo in drugimi silami," je dejal Dvali in opozoril, da bi isti učinek opazili v drugi ekstradimenzionalni scenariji.

Glede na to, da lahko scenarij temne dimenzije napove stvari, kot je temna snov, ga je mogoče empirično preizkusiti. "Če vam dam neko korelacijo, ki je ne morete nikoli preizkusiti, mi nikoli ne morete dokazati, da se motim," je dejal Valenzuela, soavtor originalni temni papir. "Veliko bolj zanimivo je napovedati nekaj, kar lahko dejansko dokažeš ali ovržeš."

Uganke teme

Astronomi vedo, da temna snov obstaja – vsaj v neki obliki – od leta 1978, ko je astronomka Vera Rubin ugotovila, da se galaksije vrtijo tako hitro, da bi zvezde na njihovih najbolj oddaljenih robovih odletele v daljavo, če ne bi bilo ogromnih rezervoarjev nevidnega snov, ki jih zadržuje. Prepoznavanje te snovi pa se je izkazalo za zelo težko. Kljub skoraj 40-letnim eksperimentalnim prizadevanjem za odkrivanje temne snovi, takšnega delca niso našli.

Če se izkaže, da so temna snov temni gravitoni, ki medsebojno delujejo izjemno šibko, je dejal Vafa, se to ne bo spremenilo. "Nikoli jih ne bodo neposredno našli."

Toda morda obstajajo priložnosti za posredno odkrivanje podpisov teh gravitonov.

Ena strategija, ki jo izvajajo Vafa in njegovi sodelavci, temelji na obsežnih kozmoloških raziskavah, ki prikazujejo porazdelitev galaksij in snovi. V teh porazdelitvah lahko pride do "majhnih razlik v vedenju združevanja", je dejal Obied, kar bi pomenilo prisotnost temnih gravitonov.

Ko težji temni gravitoni razpadejo, proizvedejo par svetlejših temnih gravitonov s skupno maso, ki je nekoliko manjša od mase njihovega matičnega delca. Manjkajoča masa se pretvori v kinetično energijo (v skladu z Einsteinovo formulo, E = mc²), kar daje na novo ustvarjenim gravitonom nekoliko spodbudo - "hitrost udarca", ki je ocenjena na približno eno desettisočinko svetlobne hitrosti.

Te udarne hitrosti pa lahko vplivajo na nastanek galaksij. Po standardnem kozmološkem modelu se galaksije začnejo s gručo snovi, katere gravitacijska sila pritegne več snovi. Toda gravitoni z zadostno udarno hitrostjo lahko uidejo temu gravitacijskemu prijemu. Če se bodo, bo nastala galaksija nekoliko manjša, kot predvideva standardni kozmološki model. Astronomi lahko iščejo to razliko.

Nedavna opazovanja kozmične strukture iz raziskave Kilo-Degree Survey so zaenkrat skladna s temno dimenzijo: analiza podatkov iz te raziskave postavil zgornjo mejo na hitrost udarca, ki je bila zelo blizu vrednosti, ki so jo napovedali Obied in njegovi soavtorji. Strožji test bo prinesel vesoljski teleskop Euclid, ki je bil izstreljen julija lani.

Fiziki medtem načrtujejo tudi testiranje ideje o temni dimenziji v laboratoriju. Če gravitacija uhaja v temno dimenzijo, ki meri 1 mikron v prečniku, bi načeloma lahko iskali kakršna koli odstopanja od pričakovane gravitacijske sile med dvema predmetoma, ki ju loči ista razdalja. Eksperimenta ni enostavno izvesti, pravijo Armin Shayeghi, fizik na Avstrijski akademiji znanosti, ki izvaja test. Toda "obstaja preprost razlog, zakaj moramo izvesti ta poskus," je dodal: Ne bomo vedeli, kako se gravitacija obnaša na tako majhnih razdaljah, dokler ne pogledamo.

O najbližja meritev do danes — izvedeno leta 2020 na Univerzi v Washingtonu — je vključevalo 52-mikronsko razdaljo med dvema preskusnima telesoma. Avstrijska skupina upa, da bo sčasoma dosegla obseg 1 mikrona, predviden za temno dimenzijo.

Medtem ko se fizikom zdi predlog temne dimenzije zanimiv, so nekateri skeptični, da se bo obnesel. "Iskanje dodatnih dimenzij z natančnejšimi eksperimenti je zelo zanimiva stvar," je dejal Juan Maldacena, fizik na Inštitutu za napredne študije, "čeprav menim, da je verjetnost, da jih najdemo, majhna."

Joseph Conlon, fizik iz Oxforda, deli ta skepticizem: »Obstaja veliko idej, ki bi bile pomembne, če bi bile resnične, vendar verjetno niso. Ta je ena izmed njih. Domneve, na katerih temelji, so nekoliko ambiciozne in mislim, da so trenutni dokazi zanje precej šibki.«

Seveda se lahko teža dokazov spremeni, zato sploh izvajamo poskuse. Predlog temne dimenzije, če ga bodo podprli prihajajoči testi, nas lahko približa razumevanju temne snovi, kako je povezana s temno energijo in gravitacijo ter zakaj je gravitacija šibka v primerjavi z drugimi znanimi silami. »Teoretiki vedno poskušajo narediti to 'združevanje'. Temna dimenzija je ena najbolj obetavnih idej, kar sem jih slišal v tej smeri,« je dejal Gopakumar.

Toda v ironičnem zasuku je edina stvar, ki je hipoteza o temni dimenziji ne more razložiti, zakaj je kozmološka konstanta tako osupljivo majhna - zagonetno dejstvo, ki je v bistvu sprožilo to celotno preiskavo. "Res je, da ta program ne pojasnjuje tega dejstva," je priznal Vafa. "Toda kar lahko rečemo, če izhajamo iz tega scenarija, je, da če je lambda majhna - in opišete posledice tega - bi lahko cel niz neverjetnih stvari prišel na svoje mesto."