Kaip paprastas fizikos eksperimentas galėtų atskleisti „tamsųjį matmenį“

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.