우주의 구조를 이해하는 데 있어 과학자들이 존재한다고 생각하는 것의 대부분은 어둡고 어두운 영역에 속해 있습니다. 우리가 보고 만질 수 있는 일반 물질은 우주의 5%만을 차지합니다. 우주론자들은 나머지는 암흑 에너지와 암흑 물질이며, 부분적으로는 그들의 진정한 본질에 대한 우리의 무지를 반영하기 위해 "암흑"으로 분류된 신비한 물질이라고 말합니다.

하나의 아이디어가 우리가 우주에 대해 알고 싶어하는 모든 것을 설명할 수는 없지만, 2년 전에 소개된 아이디어는 몇 가지 큰 질문에 답할 수 있습니다. 라고 어두운 차원 시나리오, 그것은 암흑 물질에 대한 구체적인 방법을 제공하고 암흑 물질과 암흑 에너지 사이의 긴밀한 연결을 제안합니다. 시나리오는 또한 우주를 가장 큰 규모로 조각하는 중력이 다른 힘에 비해 왜 그렇게 약한지 알려줄 수도 있습니다.

이 시나리오는 양자 역학과 아인슈타인의 중력 이론을 통합하려고 시도하는 이미 복잡한 끈 이론 영역 내에 존재하는 아직 볼 수 없는 차원을 제안합니다. 4개의 친숙한 차원(무한히 큰 3개의 공간 차원과 1개의 시간 차원) 외에도 끈 이론에서는 극도로 작은 6개의 공간 차원이 있다고 제안합니다.

암흑 차원의 우주에서 이러한 추가 차원 중 하나는 다른 차원보다 훨씬 더 큽니다. 양성자 직경보다 100억 조 배 더 작은 대신 직경이 약 1미크론으로 측정됩니다. 일상적인 기준으로는 분이지만 다른 것에 비하면 엄청납니다. 중력을 운반하는 거대한 입자는 이 암흑 차원 내에서 생성되며, 과학자들이 생각하는 암흑 물질은 우리 우주의 약 25%를 구성하고 은하계를 함께 유지하는 접착제를 형성합니다. (현재 추정에 따르면 나머지 70%는 우주 팽창을 주도하는 암흑 에너지로 구성되어 있습니다.)

이 시나리오를 통해 우리는 끈 이론, 양자 중력, 입자 물리학 및 우주론을 연결하는 동시에 이와 관련된 일부 미스터리를 해결할 수 있다고 말했습니다. 이그나티오스 안토니아디스, 암흑차원 제안을 적극적으로 조사하고 있는 소르본 대학의 물리학자.

아직 암흑 차원이 존재한다는 증거는 없지만 이 시나리오는 우주 관측과 탁상 물리학 모두에 대해 테스트 가능한 예측을 제공합니다. 이는 가설이 실증적 조사를 통해 입증될지, 아니면 원래 약속을 결코 이행하지 못한 감미로운 아이디어 목록으로 분류되는지 확인하기 위해 오래 기다릴 필요가 없다는 것을 의미합니다.

물리학자는 "여기서 상상되는 어두운 차원"이라고 말했습니다. 라제시 고파쿠마르벵갈루루에 있는 국제 이론 과학 센터 소장인 그는 "다가오는 실험이 더욱 첨예해짐에 따라 상당히 쉽게 배제될 가능성이 있는 장점"을 갖고 있습니다.

어두운 차원의 점파

암흑 차원은 알베르트 아인슈타인이 1917년 중력 방정식에 도입한 우주 상수(그리스 문자 람다로 표시되는 용어)에 관한 오랜 미스터리에서 영감을 받았습니다. 많은 동료들과 마찬가지로 정적인 우주를 믿었습니다. , 아인슈타인은 방정식이 팽창하는 우주를 설명하지 못하도록 이 용어를 추가했습니다. 그러나 1920년대에 천문학자들은 우주가 실제로 부풀고 있다는 사실을 발견했고, 1998년에는 우주가 현재 일반적으로 암흑 에너지라고 불리는 에너지에 의해 추진되는 가속된 속도로 성장하고 있음을 관찰했습니다. 이는 방정식에서 람다로 표시할 수도 있습니다.

그 이후로 과학자들은 람다의 한 가지 놀라운 특성, 즉 추정 값이 10이라는 문제와 씨름해 왔습니다.^{- 122} 플랑크 단위는 "물리학에서 가장 작은 측정 매개변수"라고 말했습니다. 컴런 바파, 하버드 대학의 물리학자. 2022년, 그의 연구팀 두 명과 함께 그 거의 헤아릴 수 없을 만큼 작은 규모를 고려하면서 — 미구엘 몬테로, 현재 마드리드 이론 물리학 연구소에 있으며, 아이린 발렌수엘라, 현재 CERN에 있음 - Vafa는 통찰력을 얻었습니다. 이렇게 작은 람다는 정말 극단적인 매개변수입니다. 즉, 끈 이론에 대한 Vafa의 이전 작업 프레임워크 내에서 고려될 수 있다는 의미입니다.

이전에 그와 다른 사람들은 중요한 물리적 매개변수가 극한의 값을 가질 때 어떤 일이 일어나는지 설명하는 추측을 공식화했습니다. 거리 추측이라고 불리는 이는 추상적인 의미에서 "거리"를 의미합니다. 매개변수가 가능성의 먼 가장자리로 이동하여 극한값을 가정하면 다른 매개변수에 영향이 미치게 됩니다.

따라서 끈 이론의 방정식에서 입자 질량, 람다 또는 상호 작용의 강도를 결정하는 결합 상수와 같은 핵심 값은 고정되어 있지 않습니다. 하나를 변경하면 필연적으로 다른 항목에도 영향을 미치게 됩니다.

예를 들어, 관찰된 바와 같이 매우 작은 람다는 질량이 람다 값에 직접 연결된 훨씬 더 가볍고 약하게 상호 작용하는 입자를 동반해야 합니다. “그들은 무엇입니까?” 바파는 궁금했다.

그와 그의 동료들은 그 질문에 대해 숙고하면서 거리 추측과 끈 이론이 결합되어 또 하나의 중요한 통찰력을 제공한다는 것을 깨달았습니다. 람다가 거의 0일 때 이러한 경량 입자가 나타나려면 끈 이론의 추가 차원 중 하나가 람다가 0보다 훨씬 커야 합니다. 다른 것들은 아마도 우리가 그 존재를 감지하고 심지어 측정할 수 있을 만큼 충분히 클 수도 있습니다. 그들은 어두운 차원에 도착했습니다.

다크 타워

추론된 빛 입자의 기원을 이해하려면 우주론의 역사를 빅뱅 이후 첫 번째 마이크로초로 되돌릴 필요가 있습니다. 이때 우주는 빛의 속도에 가깝게 움직이는 광자와 기타 입자인 방사선에 의해 지배되었습니다. 이러한 입자는 이미 입자 물리학의 표준 모델에 의해 설명되어 있지만 어두운 차원 시나리오에서는 친숙한 입자가 서로 충돌할 때 표준 모델의 일부가 아닌 입자 계열이 나타날 수 있습니다.

“때때로 이 방사선 입자들이 서로 충돌하여 우리가 '암흑 중력'이라고 부르는 것을 생성했습니다.”라고 말했습니다. 조르쥬 오비에, 옥스퍼드 대학의 물리학자로서 공예를 도운 사람 암흑 중력 이론.

일반적으로 물리학자들은 중력자를 전자기력을 전달하는 질량 없는 광자와 유사하게 빛의 속도로 이동하고 중력을 전달하는 질량 없는 입자로 정의합니다. 그러나 이 시나리오에서는 Obied가 설명했듯이 이러한 초기 충돌로 인해 질량이 있는 다른 유형의 중력자가 생성되었습니다. 그 외에도 그들은 다양한 중력자를 생산했습니다.

"우리가 알고 있는 일반적인 중력인 질량 없는 중력자가 하나 있습니다."라고 Obied는 말했습니다. "그리고 무한히 많은 암흑 중력자의 사본이 있는데, 모두 거대합니다." 가정된 암흑 중력자의 질량은 대략적으로 정수에 상수를 곱한 값입니다. M, 그 값은 우주 상수와 연결되어 있습니다. 그리고 광범위한 질량과 에너지 수준을 지닌 전체 "탑"이 있습니다.

이 모든 것이 어떻게 작동하는지 이해하려면 4차원 세계를 구의 표면으로 상상해 보세요. 우리는 좋든 나쁘든 그 표면을 떠날 수 없으며 이는 표준 모델의 모든 입자에도 해당됩니다.

그러나 중력이 어디에나 존재하는 것과 같은 이유로 중력자는 어디든 갈 수 있습니다. 그리고 바로 그곳이 어두운 차원이 들어오는 곳입니다.

그 차원을 상상하려면 100차원 세계의 상상된 표면에 있는 모든 지점을 생각하고 거기에 작은 고리를 연결해야 한다고 Vafa는 말했습니다. 그 루프는 (적어도 개략적으로) 추가 차원입니다. 두 개의 표준 모델 입자가 충돌하여 중력자를 생성하면 중력자는 "추가 차원 원으로 누출되어 파도처럼 그 주위를 이동할 수 있습니다"라고 Vafa는 말했습니다. (양자역학에서는 중력자와 광자를 포함한 모든 입자가 입자와 파동처럼 행동할 수 있다고 말합니다. 이는 파동-입자 이중성으로 알려진 XNUMX년 된 개념입니다.)

중력자가 어두운 차원으로 누출됨에 따라 생성되는 파동은 서로 다른 에너지 수준에 해당하는 서로 다른 주파수를 가질 수 있습니다. 그리고 여분차원 루프 주위를 이동하는 거대한 중력은 루프가 구에 부착되는 지점에서 상당한 중력 영향을 생성합니다.

"어쩌면 이것이 암흑 물질일까요?" 바파는 생각에 잠겼다. 결국 그들이 만들어낸 중력은 약하게 상호작용하지만 어느 정도 중력을 모을 수 있었습니다. 그는 이 아이디어의 한 가지 장점은 중력자가 중력의 운반체로 처음 제안된 이후 90년 동안 물리학의 일부였다는 점이라고 지적했습니다. (중력자는 가상의 입자이며 직접적으로 감지되지 않았다는 점에 유의해야 합니다.) 암흑 물질을 설명하기 위해 "우리는 새로운 입자를 도입할 필요가 없습니다"라고 그는 말했습니다.

여분차원 영역으로 누출될 수 있는 중력자는 “암흑 물질의 자연스러운 후보”라고 말했습니다. 게오르기 드발리, 막스 플랑크 물리학 연구소 소장, 그는 어두운 차원 아이디어에 직접적으로 연구하고 있지 않습니다.

가정된 어두운 차원과 같은 큰 차원은 저주파, 저에너지, 저질량 입자를 의미하는 장파장을 위한 공간을 갖게 됩니다. 그러나 암흑 중력자가 끈 이론의 작은 차원 중 하나로 누출된다면 그 파장은 극도로 짧고 질량과 에너지는 매우 높을 것입니다. 이와 같은 초거대 입자는 불안정하고 수명이 매우 짧습니다. Dvali는 "그들은 현재 우주에서 암흑물질로 작용할 가능성도 없이 오래전에 사라졌을 것"이라고 말했습니다.

중력과 그 운반체인 중력자는 끈 이론의 모든 차원에 스며들어 있습니다. 그러나 어두운 차원은 다른 추가 차원보다 훨씬 더 크기 때문에 중력의 강도가 희석되어 더 넓은 어두운 차원으로 눈에 띄게 스며들면 4차원 세계에서 약해 보일 수 있습니다. . Dvali는 "이것은 중력과 다른 힘 사이의 엄청난 차이(강도)를 설명합니다."라고 Dvali는 말했습니다. 다른 추가 차원 시나리오.

암흑차원 시나리오가 암흑물질과 같은 것을 예측할 수 있다는 점을 고려하면 실증적 테스트를 실시할 수 있습니다. "내가 당신에게 결코 테스트할 수 없는 상관관계를 제시한다면 당신은 내가 틀렸다는 것을 결코 증명할 수 없습니다"라고 공동 저자인 발렌수엘라(Valenzuela)는 말했습니다. 오리지널 다크 디멘션 페이퍼. "실제로 증명하거나 반증할 수 있는 것을 예측하는 것이 훨씬 더 흥미롭습니다."

어둠의 수수께끼

천문학자들은 1978년부터 천문학자 베라 루빈(Vera Rubin)이 은하계가 너무 빠르게 회전하여 눈에 보이지 않는 일부 물질의 광대한 저장소가 없다면 가장 바깥쪽 가장자리에 있는 별들이 먼 곳으로 쫓겨날 것이라는 사실을 확인한 이래 암흑 물질이 적어도 어떤 형태로든 존재한다는 것을 알고 있었습니다. 그들을 방해하는 물질. 그러나 그 물질을 식별하는 것은 매우 어려운 것으로 판명되었습니다. 암흑물질을 탐지하기 위한 거의 40년 간의 실험적 노력에도 불구하고 그러한 입자는 발견되지 않았습니다.

암흑 물질이 극도로 약하게 상호 작용하는 암흑 중력으로 밝혀진다면 그것은 변하지 않을 것이라고 Vafa는 말했습니다. "그들은 결코 직접적으로 발견되지 않을 것입니다."

그러나 그러한 중력자의 특징을 간접적으로 발견할 수 있는 기회가 있을 수 있습니다.

Vafa와 그의 협력자들은 은하계와 물질의 분포를 도표화하는 대규모 우주론 조사를 통해 전략 중 하나를 추구하고 있습니다. 이러한 분포에는 암흑 중력의 존재를 알리는 "클러스터링 동작에 작은 차이"가 있을 수 있다고 Obied는 말했습니다.

더 무거운 암흑 중력자가 붕괴되면 모 입자의 질량보다 약간 작은 결합 질량을 갖는 한 쌍의 더 가벼운 암흑 중력자가 생성됩니다. 사라진 질량은 운동 에너지로 변환됩니다(아인슈타인의 공식에 따라, E = mc²), 이는 새로 생성된 중력자에 약간의 부스트를 제공합니다. 즉, 빛 속도의 약 1만분의 1로 추정되는 "킥 속도"입니다.

이러한 발동 속도는 결국 은하가 형성되는 방식에 영향을 줄 수 있습니다. 표준 우주론 모델에 따르면 은하계는 중력에 의해 더 많은 물질을 끌어당기는 물질 덩어리로 시작됩니다. 그러나 충분한 반동 속도를 가진 중력자는 이러한 중력의 지배에서 벗어날 수 있습니다. 만약 그렇다면, 결과로 나타나는 은하계는 표준 우주 모델이 예측하는 것보다 약간 덜 거대해질 것입니다. 천문학자들은 이러한 차이를 찾을 수 있습니다.

Kilo-Degree Survey에서 우주 구조에 대한 최근 관찰은 지금까지 어두운 차원과 일치합니다. 해당 조사의 데이터 분석 상한선을 두었다 킥 속도는 Obied와 그의 공동 저자가 예측한 값에 매우 가깝습니다. 지난 7월 발사된 유클리드 우주망원경에서는 더욱 엄격한 테스트가 이뤄질 예정이다.

한편 물리학자들은 암흑차원 아이디어를 실험실에서 테스트할 계획도 세우고 있다. 중력이 1미크론 크기의 어두운 차원으로 누출되는 경우 원칙적으로 동일한 거리만큼 떨어진 두 물체 사이에 예상되는 중력의 편차를 찾을 수 있습니다. 쉽지 않은 실험이라고 하더군요. 아르민 샤예기, 테스트를 수행하고 있는 오스트리아 과학 아카데미의 물리학자입니다. 그러나 “우리가 이 실험을 해야 하는 이유는 간단합니다.”라고 그는 덧붙였습니다. 우리는 직접 보기 전까지는 이렇게 가까운 거리에서 중력이 어떻게 작용하는지 알 수 없습니다.

XNUMXD덴탈의 현재까지 가장 가까운 측정값 - 2020년 워싱턴 대학에서 수행되었으며 두 개의 테스트 기관 사이를 52미크론 간격으로 분리했습니다. 오스트리아 그룹은 결국 어두운 차원에 대해 예측된 1미크론 범위에 도달하기를 희망하고 있습니다.

물리학자들은 암흑차원 제안이 흥미롭다고 생각하지만, 일부는 그것이 성공할 것인지에 회의적입니다. “보다 정확한 실험을 통해 추가적인 차원을 찾는 것은 매우 흥미로운 일입니다.”라고 그는 말했습니다. 후안 말다 세나, 고등연구소의 물리학자는 “발견할 확률은 낮다고 생각하지만”이라고 말했다.

조셉 콘론옥스퍼드의 물리학자인 는 그러한 회의론을 공유합니다. “사실이라면 중요할 것이지만 아마도 그렇지 않은 아이디어가 많이 있습니다. 이것은 그들 중 하나입니다. 그 근거가 되는 추측은 다소 야심차고, 이에 대한 현재 증거는 다소 약하다고 생각합니다.”

물론 증거의 비중은 바뀔 수 있기 때문에 우리는 우선 실험을 합니다. 암흑 차원 제안은 다가오는 테스트에서 뒷받침된다면 암흑 물질이 무엇인지, 암흑 물질이 암흑 에너지 및 중력과 어떻게 연결되어 있는지, 중력이 다른 알려진 힘에 비해 약해 보이는 이유를 더 잘 이해할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. “이론가들은 항상 '함께 묶기'를 시도하고 있습니다. 어두운 차원은 제가 이 방향에서 들은 가장 유망한 아이디어 중 하나입니다.”라고 Gopakumar는 말했습니다.

그러나 아이러니하게도 암흑 차원 가설이 설명할 수 없는 한 가지는 우주 상수가 놀라울 정도로 작다는 것입니다. 이는 본질적으로 이 전체 탐구 라인을 시작한 수수께끼의 사실입니다. "이 프로그램이 그 사실을 설명하지 않는다는 것은 사실입니다"라고 Vafa는 인정했습니다. "그러나 이 시나리오를 통해 우리가 말할 수 있는 것은 람다가 작으면 - 그리고 그 결과를 설명하면 - 놀라운 일들이 모두 제자리에 들어갈 수 있다는 것입니다."