Склонни сме да не се замисляме върху факта, че съществуваме в три измерения. Напред-назад, наляво-надясно, нагоре-надолу - това са осите, по които се движим в света. Когато се опитваме да си представим нещо друго, обикновено се появяват образи от най-дръзката научна фантастика - за портали в тъканта на пространство-времето и паралелни светове.
И все пак сериозните физици отдавна са омагьосани от перспективата за допълнителни измерения. При цялата си неосезаемост тези измерения обещават да разрешат няколко големи въпроса за най-фундаменталното устройство на Вселената. Освен това те не могат да бъдат изключени просто защото е трудно да си ги представим и още по-трудно да ги наблюдаваме.
"Няма причина да са три", заявява Жорж Обиед (Georges Obied) от Оксфордския университет. "Може да са били две; може да са били четири или десет."
И все пак идва момент, в който всеки уважаващ себе си физик иска твърди доказателства. Ето защо е толкова вълнуващо, че през последните няколко години изследователите разработиха няколко техники, които най-накрая биха могли да докажат наличието на допълнителни измерения. Например, може би все пак ще забележим гравитацията да прониква в тях. Можем да видим финия им отпечатък върху черните дупки или да открием следите им в ускорителите на частици.
Но сега, изненадващо, Обиед и неговите колеги представят доказателства за съществуването на допълнително измерение, което коренно се различава от всички, които сме измислили досега. Това "тъмно измерение" би скрило частици от зората на времето, които биха могли да разрешат загадката на тъмната материя, чието гравитационно привличане се смята, че е оформило космоса. От решаващо значение е, че то би трябвало да бъде и сравнително лесно за откриване - и вече се провеждат експерименти, които биха могли да го разкрият или изключат.
Какво представлява допълнителното измерение?
Не е трудно да се даде определение за измерение.
"В общи линии то се определя от броя на взаимно перпендикулярните посоки, в които може да се движите", обяснява Обиед. Така можете да си представите пространствените измерения като осите x, y и z на чертеж на куб. Някои разглеждат времето като друго измерение, което ни дава концепцията за четириизмерно пространство-време.
За да обяснят защо ни е толкова трудно да мислим отвъд това, физиците често се позовават на романа от XIX в. "Флатландия": Роман за многото измерения на Едуин Абът. Главният герой на историята е квадрат, който живее в строго двуизмерен свят. Един ден квадратът е посетен от сфера. Той не е в състояние да наблюдава истинската форма на сферата и я вижда само в разрези - поредица от кръгове с различен диаметър. Постепенно квадратът започва да се бори с осъзнаването, че неговият гладък свят може да не е пълният обхват на реалността.
Увлечението на физиците по допълнителните измерения се засилва в началото на 20. век. През 1915 г. Алберт Айнщайн публикува своята Обща теория на относителността, според която гравитацията се поражда от изкривяването на четириизмерното пространство-време от масивни обекти.
Няколко години по-късно физикът Теодор Калуца си играе с уравненията на Айнщайн и въвежда пето измерение. Първоначално за това не е имало големи очаквания. Повече или по-малко е ставало въпрос за добавяне на допълнителни математически членове - w, които да се добавят към x, y и z.
Но удивителното е, че добавките на Калуца осигуряват начин за точно представяне на електромагнитните полета. С други думи, това петизмерно разширение на Общата теория на относителността сякаш елегантно обединяваше двете фундаментални сили - гравитацията и електромагнетизма - в единна рамка.
Съвременниците на Калуца отиват по-далеч, като предполагат, че гравитацията може по някакъв начин да "изтече" в това допълнително измерение, което може да обясни една от основните загадки на физиката: защо гравитацията е толкова изключително слаба в сравнение с другите природни сили.
През 1926 г. физикът теоретик Оскар Клайн отново разглежда рамката на Калуца, но вече от гледна точка на новооткритата квантова теория. Анализът му показва, че допълнителното измерение, чрез което действа електромагнетизмът, би трябвало да е неоценимо малко - много по-малко от атом - с радиус само 10-32 метра. Клайн предполага, че това деликатно измерение би съществувало във всяка точка на пространството, навито като безкрайно малка ролетка.
Сега вече знаем, че хипотезата на Калуца и Клайн, както стана известна, не е вярно отражение на реалността. Съвременната физика разглежда електромагнетизма като действащ чрез квантово поле в познатото ни пространство-време. Въпреки това идеята за позоваване на допълнителни измерения, за да се обяснят проблемите във физиката, се запазва.
"Въпреки че сега знаем, че това не е нашата Вселена, тя вдъхнови някои хора да изучават идеите за по-високи измерения от средата на 20-ти век", разказва Кумрун Вафа (Cumrun Vafa), теоретик в Харвардския университет.
В крайна сметка това води до областта на изследване на Вафа - теорията на струните. Тя гласи, че всичко е изградено от струни, които вибрират в 10 измерения, поне шест от които са миниатюрни и плътно навити, като тези, които е предвидил Клайн. Фундаменталните частици - електрони, кварки, Хигс бозони - са възли на струната, които пресичат измеренията, с които сме запознати.
Това може да звучи твърде странно. Но физиците го намират за убедително, отчасти защото математиката на теорията на струните е толкова елегантна.
"Можем много лесно да разширим математиката си до повече измерения и наистина, някои от математиките работят по-добре или дават правилен отговор в по-големи измерения", обяснява космологът Теса Бейкър (Tessa Baker) от Университета в Портсмут, Великобритания. Теорията на струните е довела и до различни прозрения в други, несвързани с нея области, което според някои теоретици ѝ придава характер на истина.
Основната причина, поради която допълнителните измерения са толкова трудни за откриване, е техният размер.
"Представете си, че се опитвате да изплетете нещо с боксови ръкавици", отбелязва Джоузеф Конлън (Joseph Conlon) от Оксфордския университет. "Просто няма как да го усетите, защото боксовите ръкавици са големи и груби, а преждата е много фина и малка."
Има начин за заобикаляне на проблема. Физиците смятат, че на фундаменталните частици по принцип е забранено да се движат в допълнителни измерения.
"Нашите обекти всъщност не съществуват в това допълнително измерение", смята Крис Пардо (Kris Pardo) от Университета на Южна Калифорния.
Но може да има и изключения. Допълнителните измерения по същество са сплетени нишки на пространство-времето, което предполага, че те имат гравитационно поле. По този начин хипотетичните частици, наречени гравитони, за които се смята, че носят силата на гравитацията, би трябвало да могат да преминават през тези допълнителни измерения. Това дава възможност да се открие допълнително измерение, като се наблюдава как гравитацията под формата на гравитони изчезва в него.
Изчезващите гравитони
Сега вече има такава възможност, благодарение на гравитационните вълни или пулсациите в пространство-времето. Тези вълни се причиняват от грандиозните сблъсъци на черни дупки или неутронни звезди в далечния космос. Ако можем да наблюдаваме как вълните намаляват силата си, докато се носят към нас, това би било знак, че гравитацията изтича в допълнително измерение.
Шансът се появява през 2017 г., когато астрономите забелязват катастрофалното сливане на две неутронни звезди. В този рядък случай те наблюдават както гравитационните вълни, които се излъчват от него, така и произведената от него експлозия от видима светлина, наречена килонова. Пардо и колегите му се впускат в действие.
"Търсихме да видим колко далеч е това сливане сравнявайки разстоянието, определено според светлината, и според гравитационните вълни", разказва Пардо. Ако гравитационните вълни изглеждаха, че идват от много по-голямо разстояние, това щеше да е знак за изплъзване на гравитационната сила.
Не са открити доказателства за такъв ефект, макар че Пардо отбелязва, че това може да се дължи само на ограниченията на нашата технология. В момента можем да откриваме гравитационни вълни само с доста ниска честота. По-високите честоти е по-вероятно да бъдат повлияни от предполагаемите допълнителни измерения, тъй като дължината на вълната им би съответствала по-точно на размера на тези измерения, но няма да ги видим, докато не разполагаме с по-усъвършенствани детектори.
Пардо казва, че експериментът Gravity from the Quantum Entanglement of Space Time (GQuEST), който в момента се изгражда в Калифорнийския технологичен институт, може да ни даде надежда.
Ние се свижим в свят с три измерения, но може да има други, скрити от нас. Кредит: GoodFon (CC BY-NC 4.0)
Ловците на допълнителни измерения разполагат и с други методи, като например разглеждане на мащабната структура на Вселената. Разположението на галактиките е особено чувствително към законите на гравитацията, обяснява Бейкър. Ако променим възприетите от нас модели на действие на гравитацията - например като предположим, че тя се изплъзва в по-високи измерения - тогава ще се промени и начинът, по който галактиките се струпват.
Затова Бейкър и други провеждат симулации на това как допълнителните измерения биха повлияли на този модел. След това те могат да сравнят симулираните модели с наблюденията, които непрекъснато стават все по-точни и всеобхватни.
"Вече разполагаме с милиарди галактики", посочва Бейкър. Всякакви разлики, които, разбира се, са незначителни, могат да бъдат доказателство за по-високи измерения.
Може би най-странното наблюдение на допълнителни измерения е свързано с появата на сходни частици. Допълнителното измерение по същество е бонус към посоката, в която може да пътува гравитон. Някои физици смятат, че други частици, пренасящи сили, като W и Z бозоните, носители на слабата ядрена сила, също биха могли да преминат през допълнителни измерения. От това следва, че тези частици трябва да имат импулс във всяко допълнително измерение, посочва Обиед. А в нашето триизмерно пространство това би изглеждало като допълнителна маса.
На практика би трябвало да се очаква появата на гравитони или други частици, носещи сила, с абсолютно същите свойства, но с два, три или повече пъти по-голяма маса от обичайната, в зависимост от броя на допълнителните измерения.
Трябва да кажем, че никога не са виждани гравитони, а ако съществуват, те трябва да са изключително леки или дори безмасови. Но по принцип гравитоните биха могли да се получат при сблъсъците на частици в Големия адронен колайдер край Женева и след това бързо да изчезнат в допълнителни измерения. Или пък може би ще открием частица, която прилича на W-бозон, но е 10 пъти по-тежка. Физиците са търсили такива сигнали и са останали без резултат.
Тези подобни частици биха повлияли и на свойствата на черните дупки. Когато черните дупки се блъскат една в друга или в неутронни звезди, те освобождават енергия под формата на гравитационни вълни - подобно на сливането на неутронни звезди. Към края на този процес черната дупка преминава през мимолетен етап, наречен "рингдаун", при който - за част от секундата - вълните "звънят" като винена чаша, почукана с нож.
По време на този кратък резонансен тътен амплитудата на вълните естествено намалява. Но ако наистина съществуват подобни на тях частици, те биха запазили амплитудата по-висока за по-дълго време. В момента физиците претърсват данните от тези събития с надеждата да чуят такъв сигнал. Вероятно няма да се изненадате, но досега не е намерено нищо подобно. Никой не е казал, че откриването на скрито измерение ще бъде лесно.
Но има нова надежда, поне с неотдавнашното изобретяване на така нареченото тъмно измерение. Това също няма да е лесна задача за откриване и все пак има две големи предимства. Първо, то би могло да обясни естеството на тъмната материя, за която знаем, че съществува и влияе върху формата на галактиките чрез гравитационното си привличане, но която не е идентифицирана въпреки десетилетията опити. Второ, привържениците му настояват, че прости експерименти скоро ще могат да разкрият наличието на тъмното измерение или да го изключат.
В блатото
Тази идея се заражда в теорията на струните. Един от проблемите на теорията е, че тя предвижда огромен набор от възможни вселени, известни като ландшафт, в зависимост от това как точно са завити нейните допълнителни измерения. За да се пребори с това, преди няколко години Вафа инициира изследователска програма, за да установи кои кои версии на теорията на струните - могат да бъдат изключени, тъй като не съответстват на нашите наблюдения на Вселената. Вафа нарече тези несъстоятелни части от пейзажа "блато".
Продължаващата изследователска програма на Вафа за "блатото" го е довела до няколко математически хипотези, една от които е хипотезата за разстоянието.
Тя гласи, че когато даден физически параметър има екстремна стойност, се наблюдават особени математически последици.
"Ако някой параметър в теорията е екстремен, трябва да има друго описание, при което физическото описание е по-просто", заявява Вафа.
Един такъв параметър е силата на тъмната енергия - неизвестната сила, която разкъсва Вселената. Въпреки че действа в космически мащаби, тъмната енергия е почти абсурдно слаба. От 2022 г. Вафа прилага предположението за разстоянието към силата на тъмната енергия и открива нещо изненадващо: то предсказва, че едно от измеренията на теорията на струните ще бъде много по-голямо от останалите и ще съдържа набор от частици.
Разработвайки детайлите, Вафа открива, че при този сценарий гравитонни частици с различни маси биха се получили скоро след Големия взрив и повечето от тях биха се промъкнали в тъмното измерение, чиято ширина би била около един микрометър, или хилядна част от милиметъра - което го прави гигант сред измеренията. Не бихме могли да открием тези частици директно, но бихме усетили ефекта им. Както пише Вафа в публикувана тази година статия, това измерение би могло да обясни тъмната материя.
"Това допълнително измерение обединява всички свойства, които искаме да притежава тъмната материя", подчертава той. "Не е необходимо да постулираме нова частица за тъмната материя, самата гравитация е тази частица".
Идеята на Вафа се основава на недоказано предположение, така че лесно може да се окаже погрешна. Но предимството ѝ е, че може да се провери сравнително лесно. В четириизмерното пространство-време силата на гравитацията между две маси е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях - това е обратният квадратен закон на Исак Нютон. Когато обаче се добави още едно измерение, силата на тежестта би трябвало да е пропорционална на куба на разстоянието. Този ефект би се проявил само при мащаби, подобни на ширината на тъмното измерение. Така че, за да го проверят, физиците ще трябва да държат две леки като перце маси на разстояние около 1 микрометър една от друга и да проверят дали гравитацията се придържа към обратния квадратен закон или не.
Експерименти на група изследователи от Вашингтонския университет вече показаха, че обратният квадратен закон е валиден и при разстояние от 52 микрометра. Провежданите в момента експерименти от група в Австрия, включваща Армин Шайеги (Armin Shayeghi) от Австрийската академия на науките, се надяват да намалят това разстояние. Работата им включва люлеене на частици от малко махало, поставено до друга малка маса. Промените в силата на гравитацията могат да бъдат изведени от люлеенето на махалото.
"Ако бъдещи експерименти установят, че законът за обратните квадрати се нарушава на изключително малки разстояния, това ще има дълбоки последици за разбирането ни за Вселената", отбелязва Шайеги. Вафа смята, че до няколко години може да се опитаме да проведем такива експерименти в мащаб 1 микрометър. "Не сме много далеч", смята Вафа.
Ако физиците наистина намерят убедителни доказателства за това тъмно измерение, това ще бъде разтърсващо откритие, подобно на срещата на квадрата от Флатландия със сферата. Признавам, че е доста трудно да си го представим. Но от научна гледна точка, разсъждава Бейкър, "потвърждението, че допълнителните измерения наистина съществуват, би могло да реши много проблеми".
Справка: New Test of the Gravitational 1/????2 Law at Separations down to 52 ????m
J. G. Lee, E. G. Adelberger, T. S. Cook, S. M. Fleischer, and B. R. Heckel
Phys. Rev. Lett. 124, 101101 – Published 10 March 2020 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.101101
Източник: How a simple physics experiment could reveal the “dark dimension”, New Scientist
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари