Universets usete dimensioner

Det synlige univers kunne ligge på en membran, der flød i et højere dimensioneret rum. De ekstra dimensioner ville hjælpe med at forene naturens kræfter og kunne indeholde parallelle universer

Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos og George Dvali*

Indhold:

Indledning
Gravitationens uforklarlige svaghed
Gravitation og store rumlige dimensioner
Vort univers på en væg
Er den levende?
Svar i 2010
Parallelle universer
Box: Kort sagt
Yderligere information

Indledning

Den klassiske fortælling fra 1884, Flatland: A Romance of Many Dimensions, af Edwin A. Abbott beskriver "A. Square"s eventyr, en figur som lever i en todimensional verden befolket af bevægelige geometriske former - trekanter, firkanter, pentagoner og så videre. Mod fortællingens slutning, på den første dag i år 2000, passerer en kugleformet skabning fra det tredimensionale "Spaceland" gennem Fladland og fører A. Square ud af hans plane domæne for at vise ham den større verdens sande tredimensionale natur. Da han fatter, hvad kuglen viser ham, spekulerer A. Square over at Spaceland i sig selv kan eksistere som et lille underrum af et endnu større firedimensionalt univers.
    Forbavsende nok er fysikere i de sidste to år begyndt alvorligt at undersøge en lignende ide: at alt det, vi kan se i vort univers, er begrænset til en tredimensional "membran", der ligger inde i et højere dimensioneret rige. Men ulig A. Square, som var henvist til højere indgriben fra Spaceland for sin indsigt, vil fysikerne måske snart kunne detektere og verificere eksistensen af virkelighedens ekstra dimensioner, som kunne strække sig over afstande så store som en millimeter. Eksperimenter søger allerede efter de ekstra dimensioners virkning på gravitationskraften. Hvis teorien er korrekt, vil kommende højenergi partikeleksperimenter i Europa kunne se usædvanlige processer, der involverer kvantegravitation, som skabelsen af midlertidige mikro sorte huller. Teorien er baseret på mere end en stillestående romantik om mange dimensioner, nemlig nogle af de nyeste udviklinger i strengteori og den ville løse nogle af de langvarige mysterier i partikelfysik og kosmologi.
    Strengteoriens eksotiske begreber og de mange dimensioner opstår faktisk fra forsøg på at forstå den mest velkendte af kræfterne: gravitation. Mere end tre århundreder efter at Isaac Newton foreslog sin lov om gravitation, forklarer fysikken stadig ikke hvorfor gravitation er så meget svagere end alle de andre kræfter. Gravitationens svaghed er dramatisk. En lille magnet overvinder let hele Jordens masse, når den løfter et søm op fra jorden. Den tyngdemæssige tiltrækning mellem to elektroner er 10⁴³ gange svagere end den frastødende elektriske kraft mellem dem. Gravitationen forekommer os kun vigtig - den holder vore fødder på jorden og Jorden i bane om Solen - fordi disse store stofansamlinger er elektrisk neutrale, hvilket gør de elektriske kræfter uendeligt små og efterlader gravitationen, svag som den er, som den eneste overskydende kraft.

Gravitationens uforklarlige svaghed

Elektroner skulle være 10²² gange mere massive for at de elektriske og tyngdemæssige kræfter mellem to af dem ville være ens. At frembringe en så tung partikel ville kræve 10¹⁹ gigaelektronvolt (GeV) energi, en mængde kendt som Planck energien. En relateret mængde er Planck længden, små 10^-35 meter. Til sammenligning er et brintatoms kerne, en proton, omkring 10¹⁹ gange så stor og har en masse på omkring 1 GeV. Planck skalaen for energi og længde er langt uden for rækkevidde af de mest kraftige accelleratorer. Selv CERNs Large Hadron Collider vil kun afprøve afstande ned til 10^-19 meter, når den begynder at arbejde fem år fra nu [se "The Large Hadron Collider," af Chris Llewellyn Smith; Scientific American, juli 2000]. Fordi gravitation bliver sammenlignelig i styrke med elektromagnetisme og de andre kræfter på Planck skalaen, har fysikere traditionelt antaget, at teorien, der forener gravitationen med de andre vekselvirkninger, kun ville afsløre sig ved disse energier. Den endelige forenede teoris natur ville så være håbløst uden for rækkevidde af direkte eksperimentel undersøgelse i den nære fremtid [se "A Unified Physics by 2050?" af Steven Weinberg; Scientific American, december 1999], [En forenet fysik i 2050?].
    Dagens kraftigste accelleratorer undersøger energiområdet mellem 100 og 1.000 GeV (en teraelektronvolt eller TeV). I dette område har eksperimentatorerne set den elektromagnetiske kraft og den svage vekselvirkning (en kraft mellem subatomare partikler, som er ansvarlig for visse typer radioaktivt henfald) blive forenede. Vi ville forstå gravitationens ekstraordinære svaghed, hvis vi forstod faktoren på 10¹⁶, der adskiller den elektrosvage skala fra Planck skalaen.
    Desværre kan fysikernes ekstremt succesfulde teori for partikelfysikken, kaldet Standard Modellen, ikke forklare størrelsen af dette enorme gab, fordi teorien er omhyggeligt justeret til at passe med den observerede elektrosvage skala. Den gode nyhed er, at denne justering (sammen med 16 andre) en gang for alle tjener til at passe med myriader af observationer. Den dårlige nyhed er, at vi må finjustere den underliggende teori med en nøjagtighed af omkring en del ud af 10³²; ellers ville kvantevirkninger - ustabiliteter - trække den elektrosvage skala hele vejen tilbage til Planck skalaen. Tilstedeværelsen af en så fin afbalancering i teorien er som at gå ind i et rum og finde en blyant stående perfekt på sin spids i midten af et bord. Skønt den ikke er umulig, er situationen yderst ustabil og vi står tilbage med undren over, hvordan den opstod.
    I 20 år har teoretikere angrebet denne gåde, kaldet hierakiproblemet, ved at ændre partikelfysikkens natur nær 10^-19 meter (eller 1 TeV) for at stabilisere den elektrosvage skala. Den mest populære modifikation af Standard Modellen, som opnår dette mål, involverer en ny symmetri kaldet supersymmetri. Hvis vi går tilbage til vor blyantsanalogi, virker supersymmetri som en usynlig tråd, der holder blyanten oppe og forhindrer den i at vælte. Skønt accelleratorer endnu ikke har fremvist nogen direkte vidnesbyrd om supersymmetri, støtter nogle antydende indirekte vidnesbyrd den supersymmetriske udvidelse af Standard Modellen. Når de målte styrker af de stærke, svage og elektromagnetiske kræfter f.eks. ekstrapoleres til kortere afstande, mødes de kun meget nøjagtigt ved en fælles værdi, hvis supersymmetriske regler styrer ekstrapolationen. Dette resultat peger på en supersymmetrisk forening af disse tre kræfter ved omkring 10^-32 meter, omkring 1.000 gange større end Planck længden men stadig langt hinsides partikelaccelleratorers rækkevidde.

Gravitation og store rumlige dimensioner

I to årtier har de eneste levedygtige rammer til at takle hierakiproblemet været at ændre partikelfysikken nær 10^-19 meter ved at indføre ny processer som supersymmetri. Men i de sidste to år har teoretikere foreslået en radikalt anderledes indfaldsvinkel ved at modificere rumtiden, gravitationen og selve Planck skalaen. Nøgleindsigten er, at Planck skalaens ekstraordinære skala, som er blevet accepteret i et århundrede siden Planck først indførte den, er baseret på en uprøvet antagelse om, hvordan gravitation opfører sig på korte afstande.
    Newtons omvendte kvadrat lov for gravitation - som siger, at kraften mellem to masser falder med kvadratet på afstanden mellem dem - virket yderst godt over makroskopiske afstande og forklarer Jordens bane omkring Solen, Månens omkring Jorden og så videre. Men fordi gravitationen er så svag, er loven kun blevet eksperimentelt afprøvet ned til en afstand af omkring en millimeter og vi må ekstrapolere over 32 størrelsesordener for at konkludere, at gravitationen først bliver stærk ved en Planck skala på 10^-35 meter.
    Omvendt kvadrat loven er naturlig i tredimensionalt rum. Overvej tyngdekraftlinier der stråler ensartet ud fra Jorden, linierne er spredt over en kugleformet skal af større areal. Overfladearealet forøges som kvadratet på afstanden og derfor fortyndes kraften med den hastighed. Antag, at der var en dimension mere som gjorde rummet firedimensionalt. Så ville feltlinierne, der stråler ud fra et punkt blive spredt over en firedimensional skal, hvis overflade ville forøges som 3. potens af afstanden og gravitationen ville følge en omvendt 3. potens lov.
    Den omvendte 3. potens lov beskriver bestemt ikke vort univers men forestil jer nu, at den ekstra dimension er krøllet op i en lille cirkel med radius R og at vi ser på feltlinier, som kommer fra en lille punktformet masse. Når feltlinierne er meget nærmere massen end afstanden R kan de spredes ensartet i alle fire dimensioner og derfor falder gravitationskraften som den omvendte 3. potens af afstanden. Når linierne har spredt sig helt rundt om cirklen, er der imidlertid kun tre dimensioner tilbage for dem at sprede sig i og for afstande større end R varierer kraften derfor som det omvendte kvadrat på afstanden.
    Den samme virkning opstår, hvis der er mange ekstra dimensioner, som alle er krøllet op til cirkler med radius R. For n ekstra rumlige dimensioner ved afstande mindre end R vil tyngdekraften følge en omvendt 2. + n potens lov. Fordi vi kun har målt gravitationen ned til en millimeter, ville vi ikke ænse ændringer i gravitationen forårsaget af ekstra dimensioner, hvis størrelse R er mindre end en millimeter. Ydermere ville 2. + n potens loven få gravitationen til at nå "Planck skala styrke" et godt stykke over 10^-35 meter. Dvs. at Planck længden (defineret ved, hvor gravitationen bliver stærk) ikke ville være så lille og hierakiproblemet ville blive reduceret.
    Man kan løse hierakiproblemet ved at postulere nok ekstra dimensioner til at flytte Planck skalaen meget nær den elektrosvage skala. Den endelige forening af gravitationen med de andre kræfter ville så finde sted nær 10^-19 meter i stedet for de traditionelt antagne 10^-35 meter. Hvor mange dimensioner, der er nødvendige, afhænger af, hvor store de er. Omvendt kan vi beregne, hvor store de er for et givet antal for at gøre gravitationen stærk ved 10^-19 meter. Hvis der kun er én ekstra dimension, må dens radius være omkring afstanden mellem Jorden og Solen. Derfor er dette tilfælde allerede udelukket ved observation. To ekstra dimensioner kan imidlertid løse hierakiproblemet, hvis de er af en størrelse på omkring en millimeter - præcist, hvor vor direkte viden om gravitationen slutter. Dimensionerne er endnu mindre, hvis vi tilføjer flere af dem og for syv ekstra dimensioner skal de være 10^-14 meter store, omkring størrelsen af en urankerne. Dette er småt med dagligdagens standard men enormt med partikelfysikkens målestok.
    At postulere ekstra dimensioner kan forekomme bizart og ad hoc, men for fysikere er det en gammel, velkendt ide, som daterer sig tilbage til 1920erne, da den polske matematiker Theodor Kaluza og den svenske fysiker Oskar Klein udviklede en bemærkelsesværdig forenet teori om gravitation og elektromagnetisme, som krævede en ekstra dimension. Ideen er genoplivet i moderne strengteorier, som kræver totalt 10 rumlige dimensioner for intern matematisk konsistens. I fortiden har fysikerne antaget, at de ekstra dimensioner er krøllet op til små cirkler med en størrelse nær den traditionelle Planck længde på 10^-35 meter, hvilket gør dem udetekterbare og efterlader gåden om hierakiproblemet. I modsætning hertil er de ekstra dimensioner i den nye teori, vi diskuterer, foldet til store cirkler med mindst 10^-14 meters radius og måske så enorme som en millimeter.

Vort univers på en væg

Hvis disse dimensioner er så store, hvorfor har vi så ikke set dem endnu? Ekstra dimensioner på størrelse med en millimeter ville være skelnelige for øjet og helt indlysende gennem et mikroskop. Og skønt vi ikke har målt gravitationen under omkring en millimeter, har vi et væld af eksperimentel viden vedrørende alle de andre kræfter ved langt kortere afstande end 10^-19 meter, som kun er konsistent med tredimensionelt rum. Hvordan er det muligt at der findes store ekstra dimensioner?
    Svaret er på en gang enkelt og ejendommeligt: alt stoffet og kræfterne, vi kender til - med gravitationen som eneste undtagelse -, er begrænset til en "væg" i de ekstra dimensioners rum. Elektroner, protoner, fotoner og alle de andre partikler i Standard Modellen kan ikke bevæge sig i de ekstra dimensioner; elektriske og magnetiske feltlinier kan ikke spredes ind i det højere dimensionerede rum. Væggen har kun tre dimensioner og hvad angår disse partikler kunne universet lige så godt være tredimensionalt. Kun tyngdefeltets linier kan udbrede sig i det højere dimensionerede rum og kun den partikel, der transmitterer gravitationen, gravitonen, kan rejse frit ind i de ekstra dimensioner. Tilstedeværelsen af de ekstra dimensioner kan kun føles gennem gravitationen.
    For at lave en analogi kan man forestille sig, at alle partiklerne i Standard Modellen, som elektroner og protoner, er billardkugler, der bevæger sig på overfladen af et enormt billardbord. Hvad dem angår er universet todimensionalt. Ikke desto mindre kunne billardbord beboerne, lavet af "billardbolde", alligevel detektere den højere dimensionerede verden: når to bolde rammer hinanden tilstrækkeligt hårdt, frembringer de lydbølger, som bevæger sig i alle tre dimensioner og fører noget energi væk fra bordoverfladen. Lydbølgerne er analoge med gravitoner, som kan bevæge sig i det komplette højere dimensionerede rum. I højenergi partikel kollisioner forventer vi at observere manglende energi, resultatet af at gravitoner undslipper til de ekstra dimensioner.
    Skønt det kan forekomme mærkeligt, at nogle partikler skulle være begrænset til en væg, er lignende fænomener temmelig velkendte. F.eks. kan elektroner i en kobberledning kun bevæge sig i ledningens endimensionale rum og bevæger sig ikke ind i det omgivende tredimensionale rum. På samme måde bevæger vandbølger sig primært på havets overflade, ikke gennem dets dybder. Det specifikke scenario vi beskriver, i hvilket alle partikler undtaget gravitationen er begrænset til en væg, kan opstå naturligt i strengteori. Faktisk har en af de største indsigter, der har igangsat nylige gennembrud i strengteori, været anerkendelsen af, at teorien indeholder sådanne "vægge" kaldet D-branes, hvor "brane" kommer fra ordet "membrane" og "D" står for "Dirichlet", hvilket viser en matematisk egenskab ved branes. D branes har præcis de krævede egenskaber: partikler som elektroner og fotoner repræsenteres af små strengstykker, som hver har to endepunkter, der skal være fastgjort til en D-brane. På den anden side er gravitoner små lukkede ringe af streng, der kan vandre ind i alle dimensionerne, fordi de ikke har nogen endepunkter, der forankrer dem til en D-brane.

Er den levende?

En af de første ting gode teoretikere gør, når de har en ny teori, er, at prøve at dræbe den ved at finde en inkonsistens med kendte eksperimentelle resultater. Teorien om store ekstra dimensioner ændrer gravitationen på makroskopiske afstande og ændrer anden fysik ved høje energier, så den er bestemt let at dræbe. Det er imidlertid bemærkelsesværdigt, at til trods for dens radikale afvigelse fra vort sædvanlige billede af universet modsiger denne teori ikke nogen kendte eksperimentelle resultater. Nogle få eksempler på den form for prøver, der bestås, viser, hvor overraskende denne konklusion er.
    Man kunne til en begyndelse bekymre sig om, at ændret gravitation ville påvirke genstande, der holdes sammen af gravitation, som stjerner og galakser. Men de påvirkes ikke. Gravitationen ændres først ved afstande kortere end en millimeter, hvorimod gravitationen i f.eks. en stjerne virker over tusindvis af kilometer for at holde fjerne dele af stjernen sammen. Mere alment: selv om de ekstra dimensioner forstærker gravitationen meget hurtigere end sædvanligt på korte afstande, når den først de andre kræfter nær 10^-19 meter og forbliver meget svag sammenlignet med dem ved større afstande.
    Et meget mere alvorligt anliggende drejer sig om gravitoner, de hypotetiske partikler der transmitterer gravitation i en kvanteteori. I teorien med ekstra dimensioner vekselvirker gravitoner meget stærkere med stof (hvilket er ækvivalent til, at gravitationen er stærkere på små afstande), så der burde produceres langt flere af dem i højenergi partikel kollisioner. Desuden spredes de i alle dimensionerne og fører således energi væk fra væggen, eller membranen, dvs. det univers hvor vi lever.
    Når en stjerne kollapser og så eksploderer som en supernova, kan de høje temperaturer nemt koge gravitationer af til de ekstra dimensioner. Fra observationer af den berømte Supernova 1987A ved vi imidlertid, at en supernova eksplosion udsender det meste af sin energi som neutrinoer, hvilket efterlader lidt plads til nogen energilæk af gravitoner. Vor forståelse af supernovaer begrænser derfor, hvor stærkt gravitoner kan koble til stof. Denne begrænsning kunne let have dræbt ideen om store ekstra dimensioner, men detaljerede beregninger viser, at teorien overlever. Den alvorligste begrænsning er for kun to ekstra dimensioner, i hvilket tilfælde gravitoner afkøler supernovaer for meget, hvis den fundamentale Planck skala reduceres til under omkring 50 TeV. For tre eller flere ekstra dimensioner kan denne skala være så lav som nogle få Tev uden at forårsage at supernovaer falder igennem.
    Teoretikere har undersøgt mange andre mulige begrænsninger baseret på uacceptable forandringer i systemer rækkende fra det succesfulde Big Bang billede af det tidlige univers til kollisioner af ultrahøjenergi kosmiske stråler. Teorien består alle disse eksperimentelle prøver, som viser sig at være mindre stringente end supernova begrænsningen. Der er måske overraskende, at begrænsningerne bliver mindre alvorlige, efterhånden som flere dimensioner tilføjes teorien. Vi så dette lige fra starten: tilfældet med en ekstra dimension blev udelukket øjeblikkeligt, fordi gravitationen ville blive ændret på afstande som solsystemet. Dette viser hvorfor flere dimensioner er sikrere; den dramatiske styrkelse af gravitationen begynder på kortere afstande og har derfor mindre indvirkning på processer over store afstande.

Svar i 2010

Teorien løser hierakiproblemet ved at gøre gravitationen til en stærk kraft nær TeV energier, præcis den energiskala som skal undersøges ved brug af kommende partikelaccelleratorer. Eksperimenter med Large Hadron Collider (LHC), som begynder omkring 2005, burde derfor afdække kvantegravitationens natur! Hvis f.eks. streng teori er den korrekte beskrivelse af kvantegravitation er partikler som små ringe af streng, der kan vibrere som en violinstreng. De kendte fundamentale partikler svarer til en streng, der ikke vibrerer, meget som en løs violinstreng. Hver forskellige "musikalske tone", som en streng kan bære ved at vibrere, ville fremkomme som en forskellig eksotisk ny partikel. I konventionelle strengteorier kan man forestillet sig, at strengene kun var 10^-35 meter store og de nye partikler ville have masser i samme størrelsesorden som den traditionelle Planck energi - sådanne strenges "musik" ville have for høje frekvenser for os at "høre" med partikelaccelleratorer. Men med store ekstra dimensioner er strengene meget længere, nær 10^-19 meter og de nye partikler ville fremkomme ved TeV energier - lavt nok til at høre med LHC.
    På samme måde ville energien til at skabe mikro sorte huller i partikelkollisioner falde inden for det eksperimentelle område. Sådanne huller, omkring 10^-19 meter i størrelse ville være for små til at skabe problemer - de ville udsende energi, kaldet Hawking stråling, og fordampe på mindre end 10^-27 sekund. Ved at observere sådanne fænomener kunne fysikerne direkte undersøge mysterierne i kvante sorte hullers fysik.
    Selv ved energier, som er for lave til at frembringe vibrerende strenge eller sorte huller, vil partikelkollisioner frembringe store antal gravitoner, en proces som er ubetydelig i konventionelle teorier. Eksperimenterne kunne ikke direkte detektere de udsendte gravitoner, men energien de fører væk ville vise sig som manglende energi i kollisionens rester. Teorien forudsiger specifikke egenskaber ved den manglende energi - hvordan den burde variere med kollisionsenergien og så videre - så vidnesbyrd om gravitonproduktion kan skelnes fra andre processer, der kan føre energi væk i usete partikler. Nuværende data fra de højeste energi accelleratorer begrænser allerede mildt det større dimensioners scenario. Eksperimenter ved LHC burde enten vise vidnesbyrd om gravitoner eller begynde at udelukke teorien ved deres fravær.
    En helt forskellig type eksperiment kunne også underbygge teorien, måske meget tidligere end partikelaccelleratorerne. Husk, at hvis to ekstra dimensioner skulle løse hierakiproblemet, skal de være en millimeter store. Målinger af gravitationen ville så detektere en ændring af Newtons omvendte kvadrat lov til en omvendt fjerde potens lov ved afstande nær en millimeter. Udvidelse af de grundlæggende teoretiske rammer fører til en mængde andre mulige afvigelser fra Newtonsk gravitation, af hvilke den mest interessante er frastødende kræfter mere end en million gange stærkere end gravitationen, der er mellem masser adskilt af mindre end en millimeter. Der finder nu laboratorieforsøg sted, som afprøver Newtons lov fra centimeter området ned til tiendedele af en mikron.
    For at afprøve gravitationskraften ved afstande mindre end en millimeter, må man bruge genstande der ikke er meget større end en millimeter, genstande, som derfor har meget små masser. Man skal omhyggeligt afskærme talrige virkninger som resterende elektrostatiske kræfter, der kunne maskere eller eftergøre den lille tyngdemæssige tiltrækning. Sådanne eksperimenter er vanskelige og spidsfindige, men det er spændende, at de kunne afdække dramatisk ny fysik. Selv bortset fra eftersøgningen af ekstra dimensioner er det vigtigt at udvide vort direkte kendskab til gravitationen til disse korte afstande. Tre forskere udfører i øjeblikket sådanne eksperimenter: John C. Price fra University of Colorado, Aharon Kapitulnik fra Stanford University og Eric G. Adelberger fra University of Washington. De forventer foreløbige resultater i år.
    Ideen om ekstra dimensioner fortsætter faktisk den kopernikanske tradition for forståelse af vor plads i verden: Jorden er ikke centrum for Solsystemet, Solen er ikke centrum for vor galakse, vor galakse er kun en af milliarder i et univers, der ikke har noget centrum og nu ville hele vort tredimensionale univers blot være en tynd membran i dimensionernes hele rum. Hvis vi overvejer skiver gennem de ekstra dimensioner, ville vort univers optage et enkelt uendeligt lille punkt i hver skive omgivet af et tomrum.
    Måske er dette ikke hele historien. På samme måde som Mælkevejen ikke er den eneste galakse i universet, er vort univers måske ikke alene i de ekstra dimensioner? Andre tredimensionale universers membraner kunne ligge parallelt med vor egen, kun en millimeter fjernet fra os i de ekstra dimensioner. Skønt alle Standard Modellens partikler skal holde sig til vort membran univers, kunne andre partikler foruden gravitonen måske på samme måde udbrede sig gennem de ekstra dimensioner. Langt fra at være tomme kunne de ekstra dimensioner have en mængde interessante strukturer.
    Virkningerne af nye partikler og universer i de ekstra dimensioner kan måske give svar på mange udestående mysterier i partikelfysikken og kosmologi. F.eks. kan de måske redegøre for masserne af de spøgelsesagtige elementarpartikler kaldet neutrinoer. Imponerende ny vidnesbyrd fra Super Kamiokande eksperimentet i Japan viser, at neutrinoer, som man længe anså for masseløse, har en meget lille men ikke nul masse [se "Detecting Neutrino Mass," af Edward Kearns, Takaaki Kajita og Yoji Totsuka; Scientific American, august 1999]. Neutrinoen kan opnå sin masse ved at vekselvirke med et partnerfelt, som lever i de ekstra dimensioner. Som med gravitationen fortyndes vekselvirkningen meget af, at partneren spredes gennem de ekstra dimensioner og så opnår neutrinoen kun en lille masse.

Parallelle universer

Et andet eksempel er mysteriet i kosmologien om, hvad der udgør "mørkt stof", den usynlige graviterende substans, som forekommer at udgøre mere end 90 procent af universets masse. Mørkt stof kan findes i parallelle universer. Sådant stof ville påvirke vort univers gennem gravitationen og er nødvendigvis "mørkt", fordi vor art af foton hænger fast ved vor membran, så fotoner kan ikke bevæge sig over tomrummet fra det parallelle stof til vore øjne.
    Sådanne parallelle universer kunne være helt forskellige fra vort eget, med anderledes partikler og kræfter og måske endda begrænset til membraner med færre eller flere dimensioner. I et spændende scenario har de imidlertid egenskaber, som er identiske med vor egen verden. Forestil jer, at den væg, hvor vi lever, er foldet et antal gange i de ekstra dimensioner. Genstande på den anden side af en fold vil forekomme at være meget fjerne, selv om de er mindre end en millimeter fra os i de ekstra dimensioner: lyset de udsender skal rejse til folden og tilbage for at nå os. Hvis folden er dusinvis af milliarder lysår borte, vil intet lys fra den anden side kunne have nået os siden universet begyndte.
    Mørkt stof kunne være sammensat af almindeligt stof, måske endda almindelige stjerner og galakser, som ståler lyst på deres egen fold. Sådanne stjerner ville frembringe interessante observerbare virkninger , som gravitationsbølger fra supernovaer og andre voldsomme astrofysiske processer. Gravitationsbølge detektorer, som planlægges at være færdige om få år, kunne finde vidnesbyrd om folder ved at observere store kilder til gravitationsstråling, som der ikke kan gøres rede for ved stof, som er synligt i vort eget univers.
    Den teori vi har præsenteret her var ikke det første forslag, som involverede ekstra dimensioner større end 10^-35 meter. I 1990 foreslog Ignatios Antoniadis fra Ecole Polytechnique i Frankrig, at nogle af strengteoriens dimensioner kunne være så store som 10^-19 meter, men han holdt kvantegravitationens skala nær 10^-35 meter. I 1996 påpegede Petr Horava fra California Institute of Technology og Edward Witten fra Institute of Advanced Study i Princeton, N.J., at en enkelt ekstra dimension på 10^-30 meter næsten ville forene gravitationen sammen med den supersymmetriske forening af de andre kræfter, alle ved 10^-30 meter. Ved at følge denne ide forsøgte Joseph Lykken fra Fermi National Accellerator Laboratory i Batavia, Ill. at sænke foreningsskalaen til 10^-19 meter (uden at påkalde store ekstra dimensioner). Keith Dienes fra University of Arizona og Emilian Dudas og Tony Gherghetta fra CERN bemærkede i 1998 at ekstra dimensioner mindre end 10^-19 meter kunne tillade, at kræfterne forenedes ved meget større afstande end 10^-32 meter.
    Siden vort forslag i 1998 er der dukket et antal interessante variationer frem, som bruger de samme grundlæggende ingredienser med ekstra dimensioner og vort univers-på-en-væg. I en spændende model foreslog Lisa Randall fra Princeton University og Raman Sundrum fra Stanford, at selve gravitationen kan være koncentreret på en membran i en femdimensional rumtid, som er uendelig i alle retninger. Gravitationen forekommer meget svag i vort univers på en naturlig måde, hvis vi er på en anden membran.
    I 20 år har den konventionelle tilgang til at takle hierakiproblemet, og derfor forståelsen af hvorfor gravitationen er så svag, været at antage, at Planck skalaen nær 10^-35 meter er fundamental og at partikelfysikken må ændre sig nær 10^-19 meter. Kvantegravitationen ville forblive i den teoretiske spekulations rige, håbløst uden for eksperimentets rækkevidde. I de sidste to år er det gået op for os, at dette ikke behøver være tilfældet. Hvis der er store ekstra dimensioner, vil vi i de kommende år opdage afvigelser fra Newtons lov nær 6 x 10^-5 meter og vi vil detektere strengvibrationer eller sorte huller på LHC. Kvantegravitation og strengteori vil blive til videnskab, der kan testes. Hvad der end sker, vil eksperimenter udpege vejen til at besvare et 300 år gammelt spørgsmål og i 2010 vil vi have gjort afgørende fremskridt hen imod at forstå, hvorfor gravitationen er så svag. Og vi kan opdage at vi lever i et mærkeligt Fladland, et membranunivers, hvor kvantegravitationen er lige om hjørnet.

Yderligere information

The Theory Formerly Known as Strings, Michael Duff in Scientific American, Vol. 278, No. 2, pages 54-59; February 1998.
[Teorien, der tidligere var kendt som strenge]

The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. Brian Geene. W.W. Norton, 1999.

Flatland: A Romance of Many Dimensions. Edwin A. Abbott. Text available from the Gutenberg project at http://promo.net/cgi-promo/pg/t9.cgi?entry=97 on the World Wide Web.

An introduction to tabletop gravity experiments is available at http://mist.npl.washington.edu/eotwash/

An introduction to string theory is available at http://superstringtheory.com/

*Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos og George Dvali udtænkte ekstra-dimension teorien, mens de var sammen på Stanford University i februar 1998. Arkani-Hamed blev født i Houston i 1972 og modtog en Ph.D. i fysik på University of California, Berkeley i 1997, hvortil han vendte tilbage som assisterende professor i 1999. Når han ikke udforsker de teoretiske muligheder hinsides partikelfysikkens Standard Model, holder han af vandreture i High Sierra og Californiens ørken. Dimopoulos voksede op i Athen, Grækenland modtog en Ph.D. fra University of Chicago og har været professor i fysik på Stanford siden 1979. Hans forskning har mest været drevet af en søgen efter hvad der lå hinsides Standard Modellen. I 1981 foreslog han sammen med Howard Georgi fra Harvard University den supersymmetrisk Standard Model. "Gia" Dvali voksede op i det, der nu er Georgien og modtog i 1992 sin Ph.D. i højenergifysik og kosmologi fra Tblisi State University. I 1998 blev han associeret professor i fysik på New York University. Han nyder at overvinde gravitationen ved at bestige bjerge og klipper og klatre i is.

Oversat fra The Universe's Unseen Dimensions, Scientific American, august 2000, ss.48-55.

26. januar, 2006.

Indhold
Rumtidens skjulte dimensioner

”Twistor” teori genantænder den seneste superstreng revolution

Magi, Mystik, og Matrix
Negativ energi, ormehuller og varpkørsel :Én sti: Kvanteadfærd
Index