Ако човечеството иска някога да разбере Космоса, учените трябва да съгласуват основните компоненти на реалността.

Клифърд Джонсън, професор по физика и астрономия в USC Dornsife, обяснява как Вселената може да съдържа допълнителни, скрити измерения. Четириизмерната Вселена, известна на човечеството, е представена от три пространствени и едно времево измерение, но всъщност те може да са много повече – просто са прекалено малки, за да бъдат открити.

Джонсън, който описва своето изследване като опит да се разбере тъканта на пространство-времето, е известен специалист в теорията на струните, една от малкото, които са най-близо до търсената теория, която да обяснява всичко във Вселената.

Ако той и колегите му са прави, струните може да са основни единици на битието. Всяка частица сила или материя може да се свежда до проста, едномерна, вибрираща струна.

През по-голяма част от историята човешкият поглед за Вселената и начина, по който тя работи, е обръщан към големите явления – планетното движение, свойствата на видимата светлина и ефектите на магнитните полета, например.

На границата на ХХ век, когато физиците започнали да изучават микроскопичната вселена на атомите и техните съставки, те открили, че субатомният свят се управлява от съвсем други закони. Макс Планк, Алберт Айнщайн, Нилс Бор и множество творчески учени са започнали да изучават това царство с математика и експерименти.

През следващите десетилетия учените открили, че има два различни класа фундаментални частици, фермиони и бозони. Първите се явяват основни съставки на материята, а вторите пренасят взаимодействията на частиците материя.

По-просто казано, различните бозони предават силата между различните видове фермиони. Фотоните например предават електромагнитна сила между заредените фермиони от рода на електроните.

„Този голям пробив – това, че има частици, които могат да свързват силите или взаимодействията – е прекрасна проява на квантовата физика, която са разбрали към средата на миналия век", казва Джонсън.

Тази квантова система работи прекрасно по отношение на три от четирите известни сили в природата – силно ядрено взаимодействие, което удържа заедно частиците в атомните ядра; слабо ядрено взаимодействие, което води към радиоактивен разпад на тези ядра; и електромагнетизъм.

С други думи, тези субатомни сили съответстват на единната и унифицирана теория на квантовата физика. Единствената сила, която се съпротивлява на общите квантови правила – и следователно пречи на създаването на една теория на всичко, – е гравитацията.

Айнщайн прекрасно е описал гравитацията като изкривяване в тъканта на пространство-времето. Неговата революционна обща теория на относителността – която навърши 100 години през ноември 2015 г. – изглежда, работи на всички големи мащаби (на ниво планети, звезди и галактики) и ниски енергии. Тя се чупи само в малките високоенергийни пространства, където властват бозоните и фермионите.

С други думи, квантовата физика работи прекрасно там, където не работи гравитацията, а относителността работи в големи системи.

„Смятаме за неизбежно съществуването на нещо от рода на гравитона и бихме се учудили, ако гравитацията не е квантовомеханична – казва Джонсън. – Фактът, че още не сме преуспели в това, е наш проблем, а не на природата."

В кая на 60-те и началото на 70-те години физиците погледнали различно на бозоните и фермионите в ядрата на атомите. Те открили, е участващите в този процес частици могат да бъдат описани като невероятно малки, едномерни, вибриращи струни.

Теорията на струните бързо привлякла внимание, но също така бързо изчезнала от полезрението, когато възникнали други модели на взаимодействия на частиците. Възходите и паденията на интереса продължили още известно време.

„Тази теория е приемана и отхвърляна в продължение на няколко години – обяснява Николас Уорнър, професор по физика, астрономия и математика. – За първи път я изобретили като теория на силното взаимодействие, но в такъв вид тя се провалила. През 80-те я възкресили като теория на квантовата гравитация, и изглежда, че се е получило."

Всъщност на ранния стадий направили едно важно наблюдение – тези вибриращи струни можели да опишат очакваните свойства на гравитона.

„Най-хубавото в теорията на струните е това, че тя е единствената теория, която примирява квантовата механика и общата теория на относителността – казва Уорнър, който използва теорията на струните, за да разбере квантовата физика на черните дупки, най-мощния гравитационен феномен в цялата Вселена. – Тя буквално разширява всичко, което сме успели да изчислим досега."

Но тези изчисления имат едно „но". Вселената трябва да съдържа допълнителни измерения.

За щастие допълнителните измерения не са проблем. Вселената може да съдържа безброй измерения, които са прекалено малки, за да бъдат засечени. Но тъй като струните също са невероятно малки и едномерни, те могат да вибрират във всяко от тези измерения. Това е важно, тъй като макар че теорията на струните добре описва наблюдаваните частици, тя ще преуспее само ако струните вибрират в минимум 10 измерения.

„Когато започнете да работите с математика, струните се връщат и ви казват, че математиката няма да работи, ако не им осигурите свобода на вибрация в други измерения – казва Джонсън. И добавя: – Когато позволявате на струните да станат многомерни, диапазонът на вашите възможности се увеличава съществено и се появява възможност да включите всичко, което наблюдавате, в струнната теория."

„Теоретиците на струните се опитват да кажат, че има един базов тип частици и всичко зависи от различните вибриращи състояния на струните – обяснява Уорнър. – Гравитонът е с една флуктуация или вибрация на струните, фотонът – с друга, и така нататък."

В края на краищата всичко може да бъде сведено до най-простите неща – струните. Ако отново нямаше едно „но". Макар че теорията на струните потенциално може да обясни всички известни частици на материята и сили, тя тепърва предстои да се провери.

„Винаги остава възможността, че тази база е непълна или просто неправилна – казва Джонсън. – Необходим ни е начин за получаване на измерими прогнози от теориите, за да можем да потеглим, и проверката е ключова крачка във всяка научна дейност."

Струните обаче са прекалено малки, за да може да се видят пряко в обозримо бъдеще. Затова учените трябва да търсят косвени признаци на струните, а теорията на струните досега не е толкова добре разработена, за да може да предскаже какви биха могли да са тези признаци.

Но има надежда. Теорията на струните може да получи косвена проверка, ако се приложи към най-разпространения материал във Вселената. Наблюдения показват, че тъмната материя и тъмната енергия съставят над 95% от Вселената. Учените са установили, че това са непознати ни форми на вещества и енергия, но точната им природа остава неизвестна.

Възможно е те да крият ключовете, потвърждаващи правдивостта на теорията на струните, смята Джонсън.

„Всичко това е невероятно – и унизително. Съществуват форми на материята, които по естествен начин се вписват в теорията на струните и които боже да са кандидати за тъмната материя – казва той. – Хората се надяват, че те могат да станат ключ, съединяващ теорията и природата."