Въведение
Когато става въпрос за разбиране на структурата на Вселената, повечето от онова, за което учените вярват, че съществува, се намира в тъмна, мрачна област. Обикновената материя, тази, която можем да видим и докоснем, представлява само 5% от космоса. Останалата част, според космолозите, се състои от т. нар. „тъмна енергия“ и „тъмна материя“ – мистериозни субстанции, които са наречени „тъмни“ отчасти за да отразят нашето невежество относно истинската им природа.
Въпреки че нито една теория не може да обясни всичко, което се надяваме да знаем за космоса, една нова идея, представена преди две години, може да даде отговор на няколко важни въпроса. Наречена сценарий на тъмното измерение, тя предлага специфично обяснение за естеството на тъмната материя и предполага тясна връзка между тъмната материя и тъмната енергия. Сценарият може също да ни обясни защо гравитацията, която извайва Вселената в най-големи мащаби, е толкова слаба в сравнение с другите сили.
Сценарият предлага едно все още непознато измерение, което съществува в рамките на вече сложната сфера на теорията на струните, която се опитва да обедини квантовата механика и теорията на Айнщайн за гравитацията. В допълнение към четирите познати измерения – три безкрайно големи пространствени измерения плюс едно на времето – теорията на струните предполага, че има шест изключително малки пространствени измерения.
Във вселената на тъмното измерение едно от тези допълнителни измерения е значително по-голямо от останалите. Вместо да бъде 100 милиона трилиона пъти по-малко от диаметъра на протона, то е с диаметър около 1 микрон – миниатюрно по всекидневните стандарти, но огромно в сравнение с останалите. Масивните частици, които пренасят гравитационната сила, се генерират в това тъмно измерение и съставляват тъмната материя, която според учените представлява около 25% от нашата Вселена и е лепилото, което държи галактиките заедно. (Според съвременните оценки останалите 70% се състоят от тъмна енергия, която обяснява разширяването на Вселената.)
Сценарият „ни позволява да установим връзки между теорията на струните, квантовата гравитация, физиката на елементарните частици и космологията, [като] в същото време се справяме с някои от загадките, свързани с тях“, казва Игнасиос Антониадис, физик от университета Сорбона, който активно проучва предложението за тъмното измерение.
Макар че все още няма доказателства, че тъмното измерение съществува, сценарият прави проверими някои прогнози както за космологичните наблюдения, така и за физиката на масата. Това означава, че може би няма да се наложи да чакаме дълго, за да видим дали хипотезата ще издържи на емпиричната проверка – или ще бъде причислена към списъка на примамливите идеи, които никога не са изпълнили първоначалното си обещание.
„Предвиденото тук тъмно измерение – казва физикът Раджеш Гопакумар, директор на Международния център за теоретични науки в Бенгалуру, – има това предимство, че може да бъде изключено сравнително лесно, тъй като предстоящите експерименти стават все по-остри“.
Разгадаване на тъмното измерение
Тъмното измерение е вдъхновено от дългогодишна загадка, свързана с космологичната константа – термин, обозначен с гръцката буква ламбда, който Алберт Айнщайн въвежда в своите уравнения на гравитацията през 1917 г. Вярвайки в статичността на Вселената, както и много негови колеги, Айнщайн добавя термина, за да не се допусне уравненията да описват разширяваща се Вселена. Но през 20-те години на ХХ век астрономите откриват, че Вселената наистина се разраства, а през 1998 г. наблюдават, че тя се разраства с ускорени темпове, задвижвана от това, което сега обикновено се нарича тъмна енергия – която също може да се обозначи в уравненията с ламбда.
Оттогава насам учените се борят с една поразителна характеристика на ламбда: Нейната приблизителна стойност от 10-122 в единици на Планк е „най-малкият измерен параметър във физиката“, казва Кумрун Вафа, физик от Харвардския университет. През 2022 г., докато обмисля тази почти неразбираемо малка стойност заедно с двама членове на изследователския си екип – Мигел Монтеро, понастоящем в Института по теоретична физика в Мадрид, и Ирене Валенсуела, понастоящем в ЦЕРН – Вафа разбира нещо много важно: Такава миниатюрна ламбда е наистина екстремен параметър, което означава, че може да се разглежда в рамките на предишната работа на Вафа в областта на теорията на струните.
По-рано той и други са формулирали предположение, което обяснява какво се случва, когато важен физически параметър придобие екстремна стойност. Наречена „хипотеза за разстоянието“, тя се отнася до „разстоянието“ в абстрактен смисъл: Когато даден параметър се придвижи към далечния край на възможността, като по този начин придобие екстремна стойност, това ще има отражение върху другите параметри.
По този начин в уравненията на теорията на струните ключовите стойности – като масите на частиците, ламбда или константите на свързване, които диктуват силата на взаимодействията – не са фиксирани. Промяната на една от тях неминуемо ще се отрази на останалите.
Например: една изключително малка ламбда, каквато е наблюдавана, би трябвало да бъде придружена от много по-леки, слабо взаимодействащи частици с маси, пряко свързани със стойността на ламбда. „Какви биха могли да бъдат те?“, пита се Вафа.
Докато той и колегите му размишляват върху този въпрос, те осъзнават, че предположението за разстоянието и теорията на струните се съчетават, за да предоставят още едно ключово прозрение: За да се появят тези леки частици, когато ламбда е почти нула, едно от допълнителните измерения на теорията на струните трябва да е значително по-голямо от останалите – може би достатъчно голямо, за да можем да открием присъствието му и дори да го измерим. По този начин те стигат до идеята за „тъмното измерение“.
Тъмната кула
За да разберем генезиса на предполагаемите светлинни частици, трябва да превъртим космологичната история назад до първата микросекунда след Големия взрив. По това време космосът е доминиран от радиация – фотони и други частици, движещи се със скорост, близка до тази на светлината. Тези частици вече са описани от Стандартния модел на физиката на елементарните частици, но в сценария на тъмното измерение при сблъсъка на познатите частици може да се появи семейство частици, които не са част от Стандартния модел.
„От време на време тези радиационни частици се сблъскват една с друга, създавайки нещото, което наричаме „тъмни гравитони“ – казва Жорж Обиед, физик от Оксфордския университет, който е помогнал за създаването на теорията за тъмните гравитони.
Обикновено физиците определят гравитоните като безмасови частици, които се движат със скоростта на светлината и предават гравитационната сила, подобно на безмасовите фотони, които предават електромагнитната сила. Но в този сценарий, както обяснява Обиед, тези ранни сблъсъци са създали различен вид гравитон – а именно такъв, който притежава маса. Нещо повече, те са създали редица различни гравитони.
„Има един безмасов гравитон, който е обичайният гравитон, който познаваме“, каза Обиед. „А след това има безкрайно много копия на тъмни гравитони, всички от които са масивни.“ Масите на постулираните тъмни гравитони са, грубо казано, цяло число, умножено по една константа, М, чиято стойност е свързана с космологичната константа. И има цяла „кула“ от тях с широк диапазон от маси и енергийни нива.
За да добиете представа как може да работи всичко това, представете си нашия четириизмерен свят като повърхността на сфера. Не можем да напуснем тази повърхност, никога – за добро или лошо – и това важи и за всяка частица от Стандартния модел.
Гравитоните обаче могат да отидат навсякъде по същата причина, поради която гравитацията съществува навсякъде. И точно тук се появява тъмното измерение.
За да си представите това измерение, трябва да си представите всяка точка от въображаемата повърхност на нашия четириизмерен свят и да прикрепите към нея малка примка. Тази примка е (поне схематично) допълнителното измерение. Ако две частици от Стандартния модел се сблъскат и създадат гравитон, той „може да се влее в този извънмерен кръг и да се движи около него като вълна“, казва Вафа. (Квантовата механика ни казва, че всяка частица, включително гравитоните и фотоните, може да се държи както като частица, така и като вълна – 100-годишна концепция, известна като дуалност вълна-частица).
Тъй като гравитоните изтичат в тъмното измерение, то и вълните, които те произвеждат, могат да имат различни честоти, всяка от които съответства на различни енергийни нива. И тези масивни гравитони, пътуващи около извънизмерния контур, произвеждат значително гравитационно влияние в точката, където контурът се свързва със сферата.
„Може би това е тъмната материя?“, замисля се Вафа. В крайна сметка гравитоните, които те са си представили, са слабо взаимодействащи, но способни да предизвикат известна гравитационна сила. Едно от достойнствата на идеята, отбелязва той, е, че гравитоните са част от физиката от 90 години, откак за първи път са предложени като носители на гравитационната сила. (Трябва да се отбележи, че гравитоните са хипотетични частици и не са открити директно.) За да обясним тъмната материя, „не е необходимо да въвеждаме нова частица“, казва той.
Гравитоните, които могат да изтичат в извънизмерната област, са „естествени кандидати за тъмната материя“, каза Георги Двали, директор на Института по физика „Макс Планк“, който не работи пряко по идеята за тъмното измерение.
В голямо измерение, каквото е предполагаемото тъмно измерение, би имало място за дълги вълни, което предполага нискочестотни, нискоенергийни и маломасивни частици. Но ако тъмен гравитон изтече в някое от малките измерения на теорията на струните, неговата дължина на вълната ще бъде изключително къса, а масата и енергията му – много високи. Подобни свръхмасивни частици биха били нестабилни и с много кратък живот. Те „отдавна биха изчезнали“, казва Двали, „без да имат възможност да служат като тъмна материя в настоящата Вселена“.
Гравитацията и нейният носител, гравитоните, проникват във всички измерения на теорията на струните. Но тъмното измерение е толкова по-голямо – с много порядъци – от другите допълнителни измерения, че силата на гравитацията би се разредила, поради което тя би изглеждала слаба в нашия четириизмерен свят, ако се просмукваше осезаемо в по-просторното тъмно измерение. „Това обяснява изключителната разлика [в силата] между гравитацията и другите сили“, казва Двали, като отбелязва, че същият ефект би се наблюдавал и в други извънмерни сценарии.
Като се има предвид, че сценарият на тъмното измерение може да предскаже неща като тъмната материя, той може да бъде подложен на емпирична проверка. „Ако ви дам някаква корелация, която никога не можете да проверите, то никога няма да можете да докажете, че греша“, казва Ирене Валенсуела, съавторка на оригиналния документ за тъмното измерение. „Много по-интересно е да се предскаже нещо, което всъщност може да се докаже или опровергае.“
Загадките на тъмнината
Астрономите знаят за съществуването на тъмната материя – поне в някаква форма – от 1978 г., когато астрономката Вера Рубин установява, че галактиките се въртят толкова бързо, че звездите в най-външните им краища биха били изхвърлени в „празното“, ако не бяха огромните резервоари от някакво невидимо вещество, което ги задържа. Идентифицирането на това вещество обаче се оказва много трудно. Въпреки почти 40-годишните експериментални усилия за откриване на тъмна материя, такава частица не е открита.
Ако тъмната материя се окаже тъмни гравитони, които са изключително слабо взаимодействащи, казва Вафа, това няма да се промени. „Те никога няма да бъдат открити директно.“
Но може да има възможности за непряко откриване на признаците на тези гравитони.
Една от стратегиите, които Вафа и неговите сътрудници прилагат, се основава на широкомащабни космологични изследвания, които картографират разпределението на галактиките и материята. В тези разпределения може да има „малки разлики в поведението на клъстерите“, казва Обиед, които биха сигнализирали за наличието на тъмни гравитони.
Когато по-тежките тъмни гравитони се разпадат, те произвеждат двойка по-леки тъмни гравитони с обща маса, която е малко по-малка от тази на родителската им частица. Липсващата маса се превръща в кинетична енергия (в съответствие с формулата на Айнщайн, E = mc2), която дава на новосъздадените гравитони малко тласък – „скорост на отскок“, която се оценява на около една десетохилядна част от скоростта на светлината.
Тези скорости на отскок на свой ред биха могли да повлияят на начина, по който се формират галактиките. Според стандартния космологичен модел галактиките започват с купчина материя, чието гравитационно привличане привлича още материя. Но гравитоните с достатъчна скорост на отскок могат да избягат от тази гравитационна хватка. Ако го направят, получената галактика ще бъде малко по-малка по маса, отколкото предвижда стандартният космологичен модел. Астрономите могат да търсят тази разлика.
Неотдавнашните наблюдения на космическата структура от Кило-градусовото изследване засега са в съответствие с тъмното измерение: Анализът на данните от това изследване поставя горна граница на скоростта на отскока, която е много близка до стойността, предсказана от Обиед и неговите съавтори. По-строга проверка ще бъде направена от космическия телескоп „Евклид“, който стартира през юли миналата година.
Междувременно физиците планират да проверят идеята за тъмното измерение и в лабораторни условия. Ако гравитацията изтича в тъмно измерение с диаметър 1 микрон, по принцип може да се търсят отклонения от очакваната гравитационна сила между два обекта, разделени на същото разстояние. Експериментът не е лесен за провеждане, казва Армин Шайеги, физик от Австрийската академия на науките, който провежда теста. Но „има една проста причина, поради която трябва да направим този експеримент“, добавя той: няма да разберем как се държи гравитацията на такива близки разстояния, докато не я погледнем.
Най-близкото измерване до момента – проведено през 2020 г. във Вашингтонския университет – включва 52-микрона разстояние между две тестови тела. Австрийската група се надява в крайна сметка да достигне диапазона от 1 микрон, предвиден за тъмното измерение.
Въпреки че физиците намират предложението за тъмното измерение за интригуващо, някои са скептични, че то ще се осъществи. „Търсенето на допълнителни измерения чрез по-прецизни експерименти е много интересно занимание“, казва Хуан Малдасена, физик от Института за напреднали изследвания, „макар че според мен вероятността да бъдат открити е малка.“
Джоузеф Конлън, физик от Оксфорд, споделя този скептицизъм: „Има много идеи, които биха били важни, ако бяха верни, но вероятно не са. Това е една от тях. Предположенията, на които тя се основава, са малко амбициозни и мисля, че настоящите доказателства за тях са доста слаби.“
Разбира се, тежестта на доказателствата може да се промени, затова на първо място правим експерименти. Предложението за тъмното измерение, ако бъде подкрепено от предстоящите тестове, има потенциала да ни доближи до разбирането на това какво представлява тъмната материя, как тя е свързана както с тъмната енергия, така и с гравитацията, и защо гравитацията изглежда слаба в сравнение с другите известни сили. „Теоретиците винаги се опитват да направят това „свързване“. Тъмното измерение е една от най-обещаващите идеи, които съм чувал в тази посока“, казва Гопакумар.
Но по ирония на съдбата, единственото нещо, което хипотезата за тъмното измерение не може да обясни, е защо космологичната константа е толкова зашеметяващо малка – озадачаващ факт, който по същество поставя началото на цялото това изследване. „Вярно е, че тази програма не обяснява този факт“, признава Вафа. „Но това, което можем да кажем, изхождайки от този сценарий, е, че ако ламбда е малка – и вие изложите последствията от това – то цял набор от невероятни неща могат да се подредят.“
