Идея, вытекающая из теории струн, предполагает, что темная материя скрыта в пока еще невидимом дополнительном измерении. Ученые спешат проверить эту теорию, чтобы убедиться в ее состоятельности.

Оригинальная версия этой статьи появилась в журнале Quanta.

Когда дело доходит до понимания структуры Вселенной, большая часть того, что, по мнению ученых, существует, отнесена к темной, мутной области. Обычная материя - то, что мы можем увидеть и потрогать, - составляет всего 5 процентов космоса. Остальное, говорят космологи, - это темная энергия и темная материя, загадочные субстанции, которые названы "темными" отчасти для того, чтобы отразить наше неведение относительно их истинной природы.

Хотя ни одна идея, вероятно, не объяснит всего, что мы надеемся узнать о космосе, идея, представленная два года назад, может ответить на несколько больших вопросов. Называемая сценарием темного измерения, она предлагает особый рецепт темной материи и предполагает тесную связь между темной материей и темной энергией. Сценарий также может объяснить нам, почему гравитация, которая формирует Вселенную в самых больших масштабах, так слаба по сравнению с другими силами.

Сценарий предлагает пока еще невидимое измерение, которое живет внутри уже сложного царства теории струн, которая пытается объединить квантовую механику и теорию гравитации Эйнштейна. Помимо четырех привычных измерений - трех бесконечно больших пространственных измерений плюс одного измерения времени - теория струн предполагает существование шести чрезвычайно крошечных пространственных измерений.

Во вселенной темного измерения одно из этих дополнительных измерений значительно больше остальных. Вместо того чтобы быть в 100 миллионов триллионов раз меньше диаметра протона, оно имеет размер около 1 микрона в поперечнике - ничтожный по повседневным меркам, но огромный по сравнению с остальными. Массивные частицы, несущие гравитационную силу, генерируются в этом темном измерении и составляют темную материю, которая, по мнению ученых, составляет около 25 процентов нашей Вселенной и является клеем, удерживающим галактики вместе. (По текущим оценкам, остальные 70 процентов составляет темная энергия, которая является движущей силой расширения Вселенной.)

Сценарий "позволяет нам установить связь между теорией струн, квантовой гравитацией, физикой частиц и космологией, [при этом] решая некоторые связанные с ними загадки", - говорит Игнатиос Антониадис, физик из Университета Сорбонны, который активно изучает предложение о темном измерении.

Хотя пока нет никаких доказательств существования темного измерения, сценарий делает проверяемые предсказания как для космологических наблюдений, так и для настольной физики. Это означает, что нам, возможно, не придется долго ждать, чтобы узнать, выдержит ли гипотеза эмпирическую проверку или окажется в списке манящих идей, которые так и не оправдали своих первоначальных обещаний.

"Представленное здесь темное измерение, - говорит физик Раджеш Гопакумар, директор Международного центра теоретических наук в Бенгалуру, - имеет то достоинство, что его можно довольно легко исключить по мере того, как предстоящие эксперименты будут становиться все более четкими"."

Разделение темного измерения

На создание темного измерения ученых вдохновила давняя загадка, связанная с космологической постоянной - термином, обозначаемым греческой буквой лямбда, который Альберт Эйнштейн ввел в свои уравнения гравитации в 1917 году. Эйнштейн, как и многие его коллеги, верил в статичность Вселенной и добавил этот термин, чтобы уравнения не описывали расширяющуюся Вселенную. Но в 1920-х годах астрономы обнаружили, что Вселенная действительно расширяется, а в 1998 году они заметили, что она растет с ускорением, движимая тем, что сейчас принято называть темной энергией, которая также может обозначаться в уравнениях через лямбду.

С тех пор ученые бьются над одной поразительной характеристикой лямбды: По словам Кумруна Вафы, физика из Гарвардского университета, ее расчетное значение 10-122 в единицах Планка является "самым маленьким измеренным параметром в физике". В 2022 году, рассматривая эту почти непостижимую малость вместе с двумя членами своей исследовательской группы - Мигелем Монтеро, работающим сейчас в мадридском Институте теоретической физики, и Ирен Валенсуэлой, работающей в ЦЕРНе, - Вафа пришел к озарению: Такая мизерная лямбда является действительно экстремальным параметром, а значит, ее можно рассматривать в рамках предыдущей работы Вафы по теории струн.

Раньше он и другие ученые сформулировали гипотезу, объясняющую, что происходит, когда важный физический параметр принимает экстремальное значение. Названная гипотезой расстояния, она относится к "расстоянию" в абстрактном смысле: Когда параметр движется к отдаленному краю возможности, принимая экстремальное значение, это сказывается на других параметрах.

Так, в уравнениях теории струн ключевые величины - массы частиц, лямбда или константы связи, определяющие силу взаимодействий, - не фиксированы. Изменение одной из них неизбежно отразится на других.

К примеру, необычайно малая лямбда, как это было замечено, должна сопровождаться гораздо более легкими, слабо взаимодействующими частицами с массами, напрямую связанными с величиной лямбды. "Что же это может быть?" задался вопросом Вафа.

Пока он и его коллеги размышляли над этим вопросом, они поняли, что гипотеза о расстоянии и теория струн в совокупности дают еще один ключевой момент: Чтобы эти легкие частицы появились, когда лямбда почти равна нулю, одно из дополнительных измерений теории струн должно быть значительно больше остальных - возможно, достаточно большим, чтобы мы могли обнаружить его присутствие и даже измерить его. Они пришли к темному измерению.

Темная башня

Чтобы понять генезис предполагаемых легких частиц, нам нужно отмотать космологическую историю назад, к первой микросекунде после Большого взрыва. В это время в космосе доминировало излучение - фотоны и другие частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. Эти частицы уже описаны Стандартной моделью физики частиц, но в сценарии темного измерения при столкновении привычных частиц может возникнуть семейство частиц, не входящих в Стандартную модель.

"Время от времени эти частицы излучения сталкивались друг с другом, создавая то, что мы называем "темными гравитонами", - говорит Жорж Обиед, физик из Оксфордского университета, который помог разработать теорию темных гравитонов.

"Существует один безмассовый гравитон, который является обычным гравитоном, который мы знаем, а затем есть бесконечно много копий темных гравитонов, все из которых массивны."

"Существует один безмассовый гравитон, который является обычным гравитоном, который мы знаем", - сказал Обиед. "А затем существует бесконечно много копий темных гравитонов, все из которых массивны". Массы постулируемых темных гравитонов, грубо говоря, представляют собой целое число, умноженное на константу M, значение которой связано с космологической постоянной. Существует целая "башня" из них с широким диапазоном масс и уровней энергии.

Чтобы понять, как все это может работать, представьте наш четырехмерный мир в виде поверхности сферы. Мы не можем покинуть эту поверхность - ни в лучшую, ни в худшую сторону, - и это справедливо для каждой частицы Стандартной модели.

Гравитоны, однако, могут побывать везде, по той же причине, что гравитация существует везде. Чтобы представить себе это измерение, говорит Вафа, подумайте о каждой точке на воображаемой поверхности нашего четырехмерного мира и прикрепите к ней небольшую петлю. Эта петля и есть (по крайней мере, схематично) дополнительное измерение. Если две частицы Стандартной модели столкнутся и создадут гравитон, то гравитон "может просочиться в этот внепространственный круг и распространиться по нему, как волна", - говорит Вафа. (Квантовая механика говорит нам, что каждая частица, включая гравитоны и фотоны, может вести себя и как частица, и как волна - 100-летняя концепция, известная как дуализм волна-частица.)

Как гравитоны просачиваются в темное измерение, волны, которые они создают, могут иметь различные частоты, каждая из которых соответствует различным уровням энергии. И эти массивные гравитоны, путешествуя по внепространственной петле, оказывают значительное гравитационное влияние в точке, где петля соединяется со сферой.

"Может быть, это и есть темная материя?" - размышляет Вафа. размышлял Вафа. В конце концов, гравитоны, которые они придумали, слабо взаимодействуют, но при этом способны оказывать гравитационное воздействие. Он отметил, что гравитоны уже 90 лет являются частью физики, поскольку впервые были предложены в качестве носителей гравитационной силы. (Гравитоны, следует отметить, являются гипотетическими частицами и не были обнаружены напрямую). Чтобы объяснить темную материю, "нам не нужно вводить новую частицу", - говорит он.

"Если я дам вам некую корреляцию, которую вы никогда не сможете проверить, вы никогда не сможете доказать, что я не прав. Гораздо интереснее предсказать что-то, что можно доказать или опровергнуть"

Гравитоны, способные просочиться во внепространство, являются "естественными кандидатами на темную материю", говорит Георгий Двали, директор Института физики Макса Планка, который не работает непосредственно над идеей темного измерения.

В большом измерении, таком как предполагаемое темное измерение, есть место для длинных волн, что подразумевает низкочастотные, низкоэнергетические и маломассивные частицы. Но если бы темный гравитон просочился в одно из крошечных измерений теории струн, его длина волны была бы чрезвычайно короткой, а масса и энергия - очень высокими. Такие сверхмассивные частицы были бы нестабильны и очень недолговечны. Они "давно бы исчезли, - говорит Двали, - не имея возможности служить темной материей в нынешней Вселенной".

Гравитация и ее носитель, гравитоны, пронизывают все измерения теории струн. Но темное измерение настолько больше на много порядков, чем другие дополнительные измерения, что сила гравитации разбавлялась бы, заставляя ее казаться слабой в нашем четырехмерном мире, если бы она заметно просачивалась в более просторное темное измерение. "Это объясняет чрезвычайную разницу [в силе] между гравитацией и другими силами", - говорит Двали, отмечая, что такой же эффект можно наблюдать и в других внепространственных сценариях.

Поскольку сценарий темного измерения может предсказывать такие вещи, как темная материя, его можно подвергнуть эмпирической проверке. "Если я дам вам некую корреляцию, которую вы никогда не сможете проверить, вы никогда не сможете доказать, что я не прав", - говорит Валенсуэла, соавтор оригинальной статьи о темном измерении. "Гораздо интереснее предсказать что-то, что можно доказать или опровергнуть."

Загадки темноты

Астрономы знают о существовании темной материи - по крайней мере, в какой-то форме - с 1978 года, когда астроном Вера Рубин установила, что галактики вращаются так быстро, что звезды на их внешних границах были бы отброшены вдаль, если бы их не удерживали огромные резервуары какой-то невидимой субстанции. Однако определить это вещество оказалось очень сложно. Несмотря на почти 40 лет экспериментальных попыток обнаружить темную материю, ни одна такая частица так и не была найдена.

По словам Вафы, если темная материя окажется темными гравитонами, которые очень слабо взаимодействуют друг с другом, это ничего не изменит. "Но могут появиться возможности косвенного обнаружения признаков этих гравитонов.

Одна из стратегий, которой придерживаются Вафа и его соавторы, основана на крупномасштабных космологических исследованиях, которые показывают распределение галактик и материи. По словам Обиеда, в этих распределениях могут быть "небольшие различия в поведении кластеров", которые сигнализируют о присутствии темных гравитонов.

Когда более тяжелые темные гравитоны распадаются, они производят пару более легких темных гравитонов с общей массой, которая немного меньше, чем у их родительской частицы. Недостающая масса преобразуется в кинетическую энергию (в соответствии с формулой Эйнштейна, E = mc2), которая придает вновь созданным гравитонам некоторое ускорение - "скорость удара", которая, по оценкам, составляет около одной десятитысячной скорости света.

Эти скорости удара, в свою очередь, могут повлиять на то, как формируются галактики. Согласно стандартной космологической модели, галактики начинаются со сгустка материи, гравитационное притяжение которого притягивает еще больше материи. Но гравитоны, обладающие достаточной скоростью отталкивания, могут вырваться из этого гравитационного захвата. Если они это сделают, то галактика в результате окажется чуть менее массивной, чем предсказывает стандартная космологическая модель. Астрономы могут искать эту разницу.

"Теоретики всегда пытаются сделать это "связывание воедино". Темное измерение - одна из самых многообещающих идей, которые я слышал в этом направлении".

Последние наблюдения за космической структурой, проведенные в рамках Килоградусного обзора, пока что согласуются с темным измерением: Анализ данных этого обзора позволил установить верхнюю границу скорости толчка, которая оказалась очень близка к значению, предсказанному Обиедом и его соавторами. Более строгая проверка будет проведена космическим телескопом Euclid, который был запущен в июле прошлого года.

В то же время физики планируют проверить идею темного измерения в лаборатории. Если гравитация просачивается в темное измерение размером в 1 микрон, то, в принципе, можно искать любые отклонения от ожидаемой гравитационной силы между двумя объектами, разделенными таким же расстоянием. По словам Армина Шайеги, физика из Австрийской академии наук, который проводит этот эксперимент, провести его нелегко. Но "есть простая причина, по которой мы должны провести этот эксперимент", добавил он: мы не узнаем, как ведет себя гравитация на таких близких расстояниях, пока не посмотрим.

Самое близкое измерение на сегодняшний день, проведенное в 2020 году в Университете Вашингтона, предполагало 52-микронное расстояние между двумя телами. Австрийская группа надеется в конечном итоге достичь 1-микронного диапазона, предсказанного для темного измерения.

Хотя физики находят предложение о темном измерении интригующим, некоторые скептически относятся к тому, что оно сработает. "Поиск дополнительных измерений с помощью более точных экспериментов - очень интересное занятие, - говорит Хуан Мальдасена, физик из Института перспективных исследований, - хотя я думаю, что вероятность их обнаружения невелика"

Джозеф Конлон, физик из Оксфорда, разделяет этот скептицизм: "Есть много идей, которые были бы важны, если бы были правдой, но, вероятно, таковой не являются. Это одна из них. Догадки, на которых она основана, несколько амбициозны, и я думаю, что текущие доказательства для них довольно слабы."

Конечно, вес доказательств может измениться, поэтому мы и проводим эксперименты в первую очередь. Предложение о темном измерении, если оно будет подтверждено предстоящими испытаниями, может приблизить нас к пониманию того, что такое темная материя, как она связана с темной энергией и гравитацией, и почему гравитация кажется слабой по сравнению с другими известными силами. Теоретики всегда пытаются сделать это "связывание воедино". Темное измерение - одна из самых многообещающих идей, которые я слышал в этом направлении", - говорит Гопакумар.

Но, по иронии судьбы, единственное, чего гипотеза темного измерения не может объяснить, - это почему космологическая постоянная так ошеломляюще мала - озадачивающий факт, который, по сути, положил начало всей этой линии исследований. "Это правда, что данная программа не объясняет этот факт", - признал Вафа. "Но что мы можем сказать, опираясь на этот сценарий, так это то, что если лямбда мала - и вы прописываете последствия этого - целый набор удивительных вещей может встать на свои места."