Jedan od najtvrdokornijih problema moderne fizike jest nesklad između teorijskih očekivanja i opažanja tamne energije, pojave koja se povezuje s ubrzanim širenjem svemira. U znanstvenom radu objavljenom na otvorenom serveru arXiv u rujnu 2024., fizičari Ignatios Antoniadis (Sveučilište Sorbonne) i Dieter Lüst (Max Planck Institute) predlažu da bi se rješenje moglo nalaziti izvan poznate četverodimenzionalne slike svijeta: u scenariju prema kojem naša stvarnost “curi” u petu dimenziju. U toj slici, iznimno mala vrijednost tamne energije koju vidimo teleskopima postaje signal postojanja skrivene dimenzije veličine oko jednog mikrometra.
Model koji “ne štima”
U fizici danas postoje dva stupa opisa prirode koji se ne uklapaju bez napetosti. Standardni model iznimno je uspješan okvir za opis subatomskih čestica i njihovih međudjelovanja, do razina preciznosti koje su u laboratoriju višekratno potvrđene. Istodobno, kozmološka opažanja upućuju na to da se širenje svemira ubrzava, što se u najširoj interpretaciji pripisuje tamnoj energiji, svojevrsnom “tlaku” ili efektu koji gura prostor da se širi sve brže.
Problem nastaje kada se te dvije priče pokušaju spojiti. Teorijski proračuni upućuju na to da bi tamna energija trebala biti golema, dok opažanja pokazuju da je njezina efektivna vrijednost iznimno mala. Upravo taj nesklad, često opisan kao razlika “epskih razmjera”, već desetljećima potiče pokušaje da se postojećoj slici svemira pronađe dopuna ili nova temeljna struktura.
Antoniadis i Lüst problem pokušavaju riješiti polazeći od temeljnog teorijskog okvira, a ne sitnim podešavanjima postojećih modela. Predlažu da četverodimenzionalna fizika koju mjerimo nije zatvoren sustav, nego je povezana s dodatnom dimenzijom u koju se dio učinaka može “prelijevati”.
Peta dimenzija na skali mikrometra
U okviru teorije struna, često opisivane kao kandidat za “teoriju svega”, dodatne dimenzije tipično se zamišljaju kao toliko snažno “smotane” da su praktički nevidljive na dostupnim energijama i duljinskim skalama. Antoniadis i Lüst, međutim, koriste okvir koji nazivaju “slabo spregnuta teorija struna” i iz njega izvode model u kojem je jedna dodatna dimenzija relativno velika.
Koliko velika prema njihovom scenariju? Oko jednog mikrometra (otprilike 1 µm). U svakodnevnim razmjerima to je sitno, ali u fizici čestica riječ je o golemoj duljinskoj skali: mikrometar je usporediv s veličinom jedne bakterije. Autori taj raspon opisuju kao mezoskopski, svojevrsnu sredinu između kvantnog i kozmičkog, u kojoj se mogu pojaviti veze koje standardna intuicija o odvojenim “svjetovima” malog i velikog obično ne očekuje.
Središnji pojam njihova pristupa jest “UV–IR miješanje” (UV–IR mixing). Uobičajena pretpostavka glasi da se fizika vrlo malih razmjera (ultraljubičasti, UV) i fizika vrlo velikih razmjera (infracrveni, IR) u velikoj mjeri ne dodiruju: ponašanja na ekstremno kratkim udaljenostima ne bi trebala izravno diktirati vrijednosti na kozmičkim udaljenostima. Antoniadis i Lüst tvrde da se u kvantnoj gravitaciji ta razdvojenost može slomiti, odnosno da su skale “vezane” i da se učinci prelijevaju između UV i IR domene.
U tom tumačenju, iznimno mala opažena vrijednost tamne energije nije slučajnost niti “broj koji je ispao malen”, nego mogući trag postojanja skrivene dimenzije na skali oko jednog mikrometra. Autori tvrde da bi se upravo takva mala vrijednost prirodno očekivala ako je četverodimenzionalni opis svijeta koji mjerimo samo efektivni, djelomično “propusni” presjek šire petodimenzionalne strukture. Taj okvir nazivaju scenarijem “tamne dimenzije” (Dark Dimension scenario).
U argumentaciji se oslanjaju na matematičku analizu ponašanja struna, uključujući način na koji strune osciliraju i kako se opisuju na tzv. svjetskoj plohi (worldsheet), dvodimenzionalnoj površini koju struna “iscrtava” dok se kreće kroz prostorvrijeme. Prema njihovu zaključku, uvjet da svemir ostane stabilan i da se tamna energija objasni bez finog podešavanja (fine-tuning), odnosno bez neprirodno preciznog namještanja parametara kako bi se dobio željeni rezultat, vodi prema postojanju takve dodatne dimenzije. Drugim riječima, kada se izbjegne umjetno podešavanje parametara, rješenje se u njihovu okviru često vraća na istu ideju: mikrometarsku petu dimenziju.
Više implikacija
Ako je scenarij točan, posljedice nisu ograničene samo na kozmologiju. U tom slučaju gravitacija se ne bi tumačila tek kao “slaba sila” u usporedbi s ostalima, nego kao interakcija koja nam se čini slabijom zato što se njezin učinak raspoređuje i u dodatnu dimenziju. Autori također spominju mogućnost postojanja “tornja” lakih čestica, odnosno niza novih stupnjeva slobode, koji bi mogli upućivati na fiziku izvan dosega današnjih eksperimenata.
Ključno je pitanje može li se takva ideja provjeriti. Prema njihovom prikazu, eksperimentalna motivacija dolazi iz potrage za odstupanjima gravitacije na vrlo malim udaljenostima, takozvanim “kratkodosežnim” devijacijama. Ako bi mjerenja pokazala da se gravitacija počinje ponašati neuobičajeno na skali oko mikrometra, to bi se moglo tumačiti kao podrška ideji da dio gravitacijskog učinka “odlazi” u dodatnu dimenziju. U najambicioznijem čitanju, takav nalaz mogao bi predstavljati prvi potencijalni fizikalni dokaz u prilog teoriji struna.
Za sada, međutim, autori svoj prijedlog pozicioniraju kao hipotezu utemeljenu na matematički rigoroznom okviru, a ne kao zaključak potvrđen mjerenjima. Drugim riječima, scenarij “tamne dimenzije” ostaje elegantna mogućnost koja ima jasne posljedice i predlaže konkretan smjer testiranja, ali još nije prešao prag empirijske provjere.
U širem kontekstu, rad Antoniadisa i Lüst-a spada u napore da se najveći nesklad moderne teorijske fizike, razlika između očekivane i opažene vrijednosti tamne energije, poveže s dubljom strukturom prostora-vremena. Hoće li “tamna dimenzija” ispasti privid ili temeljni dio stvarnosti, ovisit će o tome hoće li budući eksperimenti na mikrometarskim udaljenostima doista otkriti odstupanja gravitacije ili neku drugu, neizravnu signaturu dodatnih dimenzija
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
