Ar visatos trūkstama materija galėtų slėptis „tamsiajame“ papildomame matmenyje? Dabar yra paprastų būdų patikrinti šią neįprastą idėją - ir bendrai, papildomų matmenų egzistavimą

Įprastai nesusimąstome apie tai, kad gyvename trijų matmenų pasaulyje. Pirmyn atgal, kairėn dešinėn, aukštyn žemyn; tai mūsų pasaulio ašys. Bandant įsivaizduoti ką nors kita, įprastai kyla vaizdai iš mokslo fantastikos – portalai erdvėlaikio audinyje ir paraleliniai pasauliai.

Visgi rimtus mokslininkus papildomų matmenų egzistavimo perspektyva idėja vilioja jau seniai. Nors neapčiuopiami, jie žada išspręsti kelis didelius klausimus apie visatos veikimo gelmes. Be to, jų negalima atmesti vien todėl, kad mums sunku tai įsivaizduoti ir dar sunkiau stebėti. „Nėra priežasčių, kodėl jų turi būti trys,“ sako Georges Obied iš Oxfordo universiteto. „Jie galėjo būti du; galėjo būti keturi ar 10.“

Tačiau pasiekiamas taškas, kai visi save gerbiantys fizikai ima reikalauti tvirtų įrodymų. Būtent todėl taip jaudina, kad per pastaruosius kelerius metus tyrėjai sukūrė kelias technikas, kurios galėtų pagaliau gauti papildomų matmenų įrodymą. Galėtume, pavyzdžiui, pastebėti į juos nutekančią gravitaciją. Galėtume aptikti subtilius jų atspaudus ant juodųjų bedugnių arba rasti jų pėdsakus dalelių greitintuvuose.

Bet dabar Obied ir kiti siūlo matmenį, kuris radikaliai skiriasi nuo visų ankstesnių. Ši „tamsioji dimensija“ gali slėpti daleles iš laiko aušros, kurios galėtų išspręsti kosmosą gravitacija suformavusios tamsiosios materijos paslaptį. Svarbiausia, jį aptikti turėtų būti santykinai nesunku – ir jį patvirtinti ar atmesti turintys eksperimentai jau vykdomi.

Kas yra papildomas matmuo?

Matmenį apibūdinti nesunku. „Iš esmės tai kryptys, kuriomis galima judėti,“ sako Obied. Tad, apie erdvės matmenis galima galvoti kaip apie \(x\), \(y\) ir \(z\) ašis, piešiant kubą. Laiką irgi galima vertinti kaip dar vieną matmenį, keturmatį erdėlaikį.

Kodėl mums taip sunku mąstyti už šių matmenų ribų, fizikai dažnai nurodo Edwino Abbotto XIX amžiaus apsakymą Flatland: A romance of many dimensions. Šio pasakojimo protagonistas yra kvadratas, gyvenantis griežtai dvimačiame pasaulyje. Vieną dieną, kvadratą aplanko rutulys. Kvadratas negali matyti tikros rutulio formos ir temato jo skerspjūvį, kintančio diametro apskritimų serijas. Palengva kvadratas ima suprasti, kad jo glotnus pasaulis gali būti ne visapusė realybė.

Fizikų susižavėjimas papildomais matmenimis iš tiesų įsigalėjo XX amžiaus pradžioje. 1915 metais Albertas Einšteinas publikavo savo bendrąją reliatyvumo teoriją, kurioje gravitacija randas iš masyvių objektų iškreipiamo keturmačio erdvėlaikio. Po kelių metų, žaisdamas su Einšteino lygtimis, fizikas Theodoras Kaluza pristatė penktąjį matmenį. Iš pradžių tai jokių didelių lūkesčių nesukėlė. Tai buvo daugmaž tik papildomų matematinių sąvokų pridėjimas lygtyse – prie \(x\), \(y\) ir \(z\) pridėti \(w\).

Bet Kaluzaʼo papildymai netikėtai suteikė būdą tiksliai reprezentuoti elektromagnetinius laukus. Kitaip tariant, šis penkiamatis bendrojo reliatyvumo praplėtimas atrodė elegantiškai vienijantis dvi fundamentalias jėgas – gravitaciją ir elektromagnetizmą – viename karkase. Kaluzaʼo amžininkai žengė toliau, spėliodami, kad gravitacija gali kažkaip į šį papildomą matmenį „nutekėti“, kas potencialiai paaiškintų vieną iš didžiausių fizikos paslapčių: kodėl gravitacija, lyginant su kitomis fundamentaliosiomis sąveikomis, yra tokia išskirtinai silpna

1926 metais, fizikos teoretikas Oskaras Kleinas pažvelgė į Kaluzaʼo karkasą iš neseniai atrastos kvantinės teorijos perspektyvos. Jo analizė rodė, kad papildomas matmuo, per kurį veikė elektromagnetizmas, turėtų būti neįsivaizduojamai mažas – daug mažesnis už atomą – vos 10⁻³² metro radiuso. Kleino spėjimu, šis menkutis matmuo turėtų egzistuoti kiekviename erdvės taške, susuktas kaip be galo maža matavimo juosta.

Dabar žinome, kad vadinamoji Kaluza-Klein hipotezė nėra tikras realybės atspindys. Šiuolaikinėje fizikoje elektromagnetizmas veikia kaip kvantinis laukas mūsų pažįstamame erdvėlaikyje. Nepaisant to, fizikos sunkumų aiškinimo papildomais matmenimis idėja išliko. „Nors dabar žinome, kad mūsų visata nėra tokia, tai įkvėpė žmones nuo XX amžiaus vidurio tyrinėti aukštesnių matmenų idėjas,“ sako Cumrun Vafa, teoretikas iš Harvardo universiteto.

Galiausiai tai perėjo į Vafaʼo tyrimų sritį, stygų teoriją. Joje viskas sukurta iš stygų, vibruojančių 10-yje matmenų, iš kurių bent šeši yra maži ir glaudžiai susukti, kaip įsivaizdavo Kleinas. Fundamentalios dalelės – elektronai, kvarkai, Higgso bozonai – yra mazgai stygų, kurios susikerta mums pažįstamose dimensijose.

Gal tai skamba visai neįtikimai, bet fizikams ši teorija patraukli iš dalies dėl to, kad stygų teorijos matematika yra tokia elegantiška. „Galime labai lengvai išplėsti mūsų matematiką į daugiau matmenų, ir išties, kai kuri matematika veikia geriau arba pateikia savotiškai teisingus atsakymus būtent aukštesniuose matmenyse,“ sako kosmologė Tessa Baker iš Portsmoutho universiteto, JK. Be to, stygų teorija pateikė įvairių įžvalgų ir kitose, nesusijusiose srityse, kas, kai kurių teoretikų manymu, patvirtina jos teisingumą.

Pagrindinė papildomų matmenų aptikimo kliūtis – jų neįmanomai mažas dydis. „Įsivaizduokite, kad bandote megzti, mūvėdami bokso pirštines,“ sako Josephas Conlonas iš Oxford universiteto. „Tiesiog neįmanoma jų pajusti, nes bokso pirštinės didelės ir grubios, o siūlai labai ploni ir maži.“

Bet šią kliūtį galima apeiti. Fizikai mano, kad fundamentalioms dalelėms bendrai draudžiama pereiti į papildomus matmenis. „Mūsų objektai iš tiesų neegzistuoja toje papildomoje dimensijoje,“ sako Krisas Pardo iš Pietų Kalifornijos universiteto. Bet gali būti išimčių. Papildomi matmenys iš esmės yra voratinkiški erdvėlaikio užpildai, kas reiškia, kad jie turi gravitacinį lauką. Gravitacijos sąveiką pernešančios hipotetinės dalelės, gravitonai, turėtų gebėti pereiti šiuos papildomus matmenis. Taip kyla galimybė papildomą matmenį aptikti, stebint gravitaciją, kaip gravitonai jame pranyksta.

Dingstantys gravitonai

Dabar galime būtent tai atlikti, stebint erdvėlaikio raibulius – gravitacines bangas. Šias bangas sukelia kosmoso toliuose vykstantys epiniai juodųjų bedugnių ar neutroninių žvaigždžių susidūrimai. Jeigu užfiksuotume, kad link mūsų sklindančių bangų galia mažėja, tai būtų ženklas, kad gravitacija nuteka į papildomą matmenį.

Toks šansas pasitaikė 2017 metais, kai astronomai pastebėjo kataklizminį dviejų neutroninių žvaigždžių susidūrimą. Šiuo retu atveju jie išvydo ir šio susidūrimo sukeltas gravitacines bangas, ir šio sprogimo, vadinamos kilonovos, matomos šviesos bangas. Pardo su kolegomis ėmėsi veiksmų. „Palyginome atstumą pagal susiliejimo metu išspinduliuotą šviesą su atstumu, nustatytu iš gravitacinių bangų,“ sako Pardo. Jeigu gravitacinės bangos būtų atrodžiusios kaip atsklidusios iš daug toliau, tai būtų ženklas, kad gravitacijos galia kažkur dingsta.

Tačiau tokio efekto aptikti jiems nepavyko, nors Pardo sako, kad taip galėjo būti dėl technologinių apribojimų. Dabar galime aptikti tik gan mažo dažnio gravitacines bangas. Tačiau labiau tikėtina, kad papildomus matmenis paveiks didesnio dažnio bangos, nes jų ilgis labiau atitiktų šių matmenų dydį, bet mes jų neišvysime, kol neturėsime pažangesnių detektorių. Pardo sako, kad viltį teikia Gravitacijos iš erdvėlaikio kvantinio susiejimo (GQuEST) eksperimentas, dabar konstruojamas Kalifornijos Technologijos institute.

Tęsinys kitame puslapyje: 

Papildomų matmenų medžiotojų arsenale yra ir kitų metodų, tarkime, didelio masto kosmoso struktūrų tyrimai. Galaktikų išsidėstymas yra itin jautrus gravitacijos dėsniams, sako Baker. Paredagavus priimtus gravitacijos veikimo modelius – pavyzdžiui, postuluojant jos nutekėjimą į aukštesnius matmenis – pasikeistų ir galaktikų telkimasis. Tad, Baker ir kiti tyrėjai atlieka simuliacijas, stebėdami, kaip papildomi matmenys tai keičia ir lygindami jas su stebėjimais, kurie nuolat darosi vis tikslesni ir nuodugnesni. „Dabar perėjome prie milijardų galaktikų,“ pabrėžia Baker. Bet kokie skirtumai, kurie, žinoma, būtų delikatūs, galėtų liudyti papildomus matmenis.

Ko gero keisčiausia papildomų matmenų buvo implikacija susijusi su panašių dalelių pasirodymu. Papildomas matmuo iš esmės yra papildoma kryptis, kuria gali sklisti gravitonas. Ir kai kurie fizikai mano, kad į papildomus matmenis gal patekti ir kitos sąveiką pernešančios dalelės – silpnąją branduolinę sąveiką pernešantys \(W\) ir \(Z\) bozonai. O jei taip, tuomet šios dalelės privalo turėti momentą kiekviename matmenyje, sako Obied. Ir mūsų trimatėje erdvėje tai atrodytų, kaip papildoma masė. Ir praktikoje galėtume tikėtis išvysti ženklus gravitonų ar kitų sąveiką pernešančių dalelių, kurių savybės būtų lygiai tokios pat, tik du, tris ar daugiau kartų didesnės masės, priklausomai nuo papildomų matmenų skaičiaus.

Būtina pasakyti, kad nesame regėję jokio gravitono, ir jeigu jie egzistuoja, jie turi būti itin lengvi ar netgi bemasiai. Bet, iš principo, gravitonai galėtų būti sukuriami, susiduriant dalelėms Didžiajame hadronų greitintuve (LHC) šalia Ženevos ir tuomet greitai išnyktų papildomuose matmenyse. Ar gal pavyks užfiksuoti dalelę, kuri atrodo lygiai taip, kaip \(W\) bozonas, bet 10 kartų sunkesnė. Fizikai tokių ženklų ieškojo, tačiau bergždžiai.

Tokios panašios dalelės paveiktų ir juodųjų bedugnių savybes. Joms susiduriant tarpusavyje, ar su neutroninėmis žvaigždėmis, energija išlaisvinama gravitacinėmis bangomis – labai panašiai, kaip ir susiliejant neutroninėms žvaigždėms. Baigiantis procesui, JB pereina trumpą vadinamąją skambesio fazę, kai – sekundės dalelę – bangos „skamba“ kaip peiliu užkliudyta vyno taurė.

Šio trumpo rezonuojančio ūžesio metu, bangos amplitudė natūraliai sumažėja. Bet jeigu panašiosios dalelės egzistuoja, jos ilgiau išlaiko aukštesnę amplitudę. Dabar fizikai šukuoja šių įvykių duomenis, tikėdamiesi tokius signalus išgirsti. Tikriausiai nenustebsite sužinoję, kad kol kas jokių džiaugsmingų gaidų negirdėti. Niekas nesako, kad paslėptų matmenų ieškoti bus lengva.

Bet yra nauja viltis, bent jau su neseniai išrastu vadinamu tamsiuoju matmeniu. Jo aptikimas irgi nebūtų pasivaikščiojimas, tačiau jis turi dvi dideles patrauklias savybes. Pirma, jis galėtų paaiškinti tamsiosios materijos, galaktikos formą keičiančios savo gravitacine trauka, bet, nepaisant dešimtmečius trunkančių paieškų taip ir neaptiktos, prigimtį. Antra, jo šalininkai tikina, kad paprasti eksperimentai netrukus galėtų atskleisti tamsiosios materijos buvimą, arba jį paneigti.

Į pelkyną

Šios idėjos šaknys glūdi stygų teorijoje. Vienas iš teorijos keblumų yra tai, kad ji numato daugybę galimų visatų, vadinamų peizažais, priklausomai nuo konkretaus papildomų matmenų sulankstymo. Vafa tai apribojo, prieš kelis metus pradėdamas tyrimo programą, kuria aiškinosi, kurios peizažo sritys – tai yra, stygų teorijos versijos – gali būti atmestos, kaip nesutampančios su visatos stebėjimais. Vafa šias peizažo dalis pavadino „pelkynu“.

Vykstanti Vafaʼo pelkyno tyrimo programa leido jam sukurti kelias matematines hipotezes, viena iš kurių yra atstumo prielaida. Pagal ją, fiziniam teorijos parametrui pasiekus ekstremalią reikšmę, lieka tam tikros matematinės pasekmės. „Jei kuris nors teorijos parametras ekstremalus, turi būti kitas, paprastesnis fizinis aprašymas,“ sako Vafa. Vienas toks parametras yra visatą plečiančios nežinomos jėgos – tamsiosios energijos – stipris. Nors ir veikianti kosminiais mastais, tamsioji energija yra beveik protu nesuvokiamai silpna. Nuo 2022 m., Vafa atstumo prielaidą pritaikė tamsiosios energijos stipriui ir atrado kai ką stulbinamo: pagal ją vienas iš stygų teorijos matmenų būtų daug didesnis už kitus ir jame būtų įvairios dalelės.

Nagrinėdamas šias detales, Vafa išsiaiškino, kad pagal šį scenarijų, netrukus po Didžiojo sprogimo, įvairių masių gravitonai būtų nutekėję į tamsųjį matmenį, kurio plotis buvo apie mikrometrą, tūkstantąją milimetro dalį – lyginat su kitais matmenimis tai yra milžiniška. Šių dalelių tiesiogiai aptikti negalime, bet jų efektą jaustume. Kaip Vafa rašė šiais metais publikuotoje apžvalgoje, šis matmuo galėtų paaiškinti tamsiąją materiją. „Šis papildomas matmuo apjungia visas savybes, kurias norėtume, kad turėtų tamsioji materija,“ sako jis. „Nenorime postuluoti naujos tamsiosios materijos dalelės, pati gravitacija yra ta dalelė.“

Vafaʼo idėja pagrįsta neįrodytu spėjimu, tad visai gali būti klaidinga. Bet jos pranašumas yra tai, kad ją santykinai lengva patikrinti. Keturmačiame erdvėlaikyje gravitacijos jėga tarp dviejų masių yra atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui – toks yra Isaaco Newtono atvirkštinio kvadrato dėsnis. Tačiau atsiradus dar vienam matmeniui, gravitacija turėtų būti proporcinga atstumo tarp jų kubui. Šis efektas pasireikštų tik panašiu į tamsiosios materijos plotį masteliu. Tad, norint tai patikrinti, fizikams tektų laikyti plunksnos svorio mases maždaug 1 mikrometro atstumu ir patikrinti ar gravitacija paklūsta atvirkštinio kvadrato dėsniui.

Washingtono universiteto tyrėjų grupės eksperimentai jau parodė, kad atvirkštinio kvadrato dėsnis tebegalioja 52 mikrometrų atstumu. Bet tikimasi, kad Austrijos mokslų akademijos grupės, kurioje dalyvauja Armin Shayeghi, vykdomi eksperimentai šį atstumą sumažinti. Jų darbe naudojamos ant mažos svyruoklės svyruojančios dalelės šalia kitos mažos masės. Gravitacijos jėgos pokyčius galima suskaičiuoti iš švytuoklės svyravimo. „Jei būsimi eksperimentai parodys, kad atvirkštinio kvadrato dėsnis ekstremaliai mažu atstumu pažeidžiamas, tai smarkiai paveiks mūsų visatos supratimą,“ sako Shayeghi. Vafa mano, kad pabandyti atlikti šiuos eksperimentus 1 mikrometro masteliu galėtume pabandyti artimiausiais metais. „Esame ne pernelyg toli,“ sako jis.

Jei fizikai iš tiesų rastų tvirtus to tamsiojo matmens įrodymus, tai būtų toks apreiškimas, kokį patyrė kvadratas Flatland susidurdamas su rutuliu. Žinoma, tai gan sunku įsivaizduoti. Bet mokslo požiūriu, „papildomų matmenų egzistavimo patvirtinimas galėtų išspręsti daug problemų“ sako Baker.

Chen Ly
www.newscientist.com