在理解宇宙结构时，科学家认为存在的大部分东西都属于一个黑暗、阴郁的领域。 普通物质，也就是我们能看到和摸得着的东西，只占宇宙的5%。 宇宙学家说，剩下的只是暗能量和暗物质，它们是被贴上“暗”标签的神秘物质，部分原因是为了反映我们对它们真实本质的无知。
虽然没有一个想法可以解释我们想知道的关于宇宙的一切，但两年前提出的一个想法可以回答几个大问题。 它被称为暗维度情景，它为暗物质提供了一个特定的配方，暗示了暗物质和暗能量之间的密切联系。 这个场景也可以告诉我们，为什么引力——以最大的尺度雕刻宇宙——与其他力相比如此微弱。
该方案提出了一个看不见的维度，该维度存在于已经很复杂的弦理论领域中，它试图将量子力学和爱因斯坦的引力理论统一起来。 除了四个熟悉的维度——三个无限空间维度加上一个时间维度——弦理论还表明，还有六个极小的空间维度。
在黑暗维度的宇宙中，其中一个额外的维度比其他维度大得多。 它不是比质子直径小1亿万亿倍，而是大约1微米宽——按照日常标准来说，几分钟，但与其他质量相比却很大。 携带引力的大质量粒子是在这个黑暗维度中产生的，它们构成了科学家认为的暗物质宇宙的25%左右，并形成了将星系结合在一起的胶水。 （目前的估计认为，剩下的70%是由暗能量组成的，暗能量正在推动宇宙的膨胀。
这种情况“使我们能够在弦理论、量子引力、粒子物理学和宇宙学之间建立联系，[同时]解决与它们相关的一些谜团，”索邦大学的物理学家伊格纳蒂奥斯·安东尼亚迪斯（Ignatios Antoniadis）说，他正在积极研究暗维度的提议。
虽然目前还没有证据表明存在暗维度，但该场景确实为宇宙学观测和桌面物理学提供了可测试的**。 这意味着我们可能不必等待太久，看看这个假设是否经得起实证审查，或者被降级为永远无法兑现其最初承诺的诱人想法。
班加罗尔国际理论科学中心主任、物理学家拉杰什·戈帕库马尔（Rajesh Gopakumar）说：“这里设想的黑暗维度的优势在于，随着即将到来的实验变得更加尖锐，很容易被排除在外。
黑暗维度的灵感来自一个关于宇宙学常数的长期谜团——一个由希腊字母 lambda 指定的术语，阿尔伯特·爱因斯坦于 1917 年将其引入他的引力方程中。 爱因斯坦和他的许多同龄人一样，相信一个静态的宇宙，他添加了这个术语来防止方程描述膨胀的宇宙。 但在 1920 年代，天文学家发现宇宙确实在膨胀，并且在 1998 年观察到它正在加速增长，这是由现在通常称为暗能量的推动——这也可以用 lambda 方程表示。
Cumrun Vafa（左）、Irene Valenzuela 和 Miguel Montero 精心制作了一个黑暗维度的场景，其中巨大的引力子栖息在一个巨大的额外维度中。
从那时起，科学家们一直在努力解决一个引人注目的特征：它在普朗克中估计的10,122是“物理学中最小的测量参数”，哈佛大学物理学家Cumrun Vafa说。 2022 年，当他与他的研究团队的两名成员——现在在马德里理论物理研究所的 Miguel Montero 和目前在 CERN 工作的 Irene Valenzuela ——一起思考这个几乎深不可测的微不足道时，VAFA 有一个见解：如此微小的 lambda 是一个真正极端的参数，这意味着它可以在 VAFA 之前的弦理论工作的框架内考虑。
早些时候，他和其他人提出了一个猜想，解释了当一个重要的物理参数达到一个极端值时会发生什么。 它被称为距离猜想，它指的是抽象意义上的“距离”：当一个参数向可能性的远边缘移动，从而假设一个极值时，它会对其他参数产生影响。
因此，在弦理论方程中，关键值（例如，粒子质量或决定相互作用强度的耦合常数）不是固定的。 改变一个将不可避免地影响另一个。
例如，正如已经观察到的那样，一个非常小的粒子应该伴随着一个较轻的、弱相互作用的粒子，其质量与 的值直接相关。 “他们会是什么？ 瓦法疑惑道。
当他和他的同事们思考这个问题时，他们意识到距离猜想和弦理论，结合另一个关键的见解：为了让这些光粒子看起来几乎为零，弦理论的额外维度必须比其他维度大得多——也许大到足以让我们检测到它的存在，甚至测量它。 他们已经到达了黑暗维度。
为了理解推断出的光粒子的起源，我们需要将宇宙学历史倒回到大**之后的第一微秒。 此时，宇宙以辐射为主——光子和其他粒子以接近光速的速度移动。 粒子物理学的标准模型已经描述了这些粒子，但在暗维场景中，当熟悉的粒子碰撞在一起时，可能会出现不属于标准模型的粒子家族。
这些辐射粒子不时地相互碰撞，产生我们正在谈论的东西'黑暗引力子'，“牛津大学物理学家乔治·奥比德（Georges Obied）说，他帮助发展了暗引力子理论。
通常，物理学家将引力子定义为以光速传播并传输引力的无质量粒子，类似于传输电磁力的无质量光子。 但在这种情况下，正如奥比德所解释的那样，这些早期的碰撞产生了一种不同类型的引力子——有质量的东西。 不仅如此，他们还产生了一系列不同的引力子。
有一个无质量的引力子，这是我们所知道的通常的引力子，“奥比德说。 “然后有无限的黑暗引力子副本，而且它们都是巨大的。 粗略地说，暗引力子的假设质量是一个整数乘以一个常数 m，其值与宇宙学常数有关。 它们有一个完整的“塔”，具有广泛的质量和能量水平。
要了解这一切是如何运作的，请将我们的四维世界想象成一个球体的表面。 无论好坏，我们永远不能离开这个表面，标准模型中的每个粒子也是如此。
然而，引力子可以无处不在，原因与引力无处不在的原因相同。 这就是黑暗维度的用武之地。
瓦法说，为了描绘这个维度，想想我们四维世界的想象表面上的每一个点，并在上面贴上一个小环。 这个循环（至少在示意图上）是一个额外的维度。 如果两个标准模型粒子碰撞并产生引力子，引力子“可以泄漏到那个超维圆圈中，并像波浪一样在它周围传播，”Vafa说。 （量子力学告诉我们，每个粒子，包括引力子和光子，都可以表现得像粒子和波——这是一个有100年历史的概念，被称为波粒二象性。
当引力子泄漏到黑暗维度时，它们产生的波可以具有不同的频率，每个频率对应不同的能级。 而那些巨大的引力子，在超维环周围移动，在环附着在球体上的地方具有显着的引力效应。
也许这是暗物质？ 瓦法若有所思。 毕竟，他们炮制的引力子相互作用很弱，但能够聚集一些引力。 他指出，这个想法的一个优点是引力子已经成为物理学的一部分已有90年的历史，并且首先被提出作为引力载体。 （应该注意的是，引力子是不能直接检测到的假设粒子。 为了解释暗物质，“我们不必引入新粒子，”他说。
引力子可以泄漏到超维域，是“暗物质的天然候选者”，马克斯普朗克物理研究所所长Georgi Dvali说，他没有直接研究暗维度的想法。
一个大维度，例如假设的暗维度，将具有长波长的空间，这意味着低频、低能量、低质量的粒子。 然而，如果一个黑暗的引力子泄漏到弦理论的微小维度中，它的波长会很短，它的质量和能量会非常高。 像这样的超大质量粒子是不稳定的，寿命很短。 它们“早已消失，在当前的宇宙中不可能充当暗物质，”Dewally说。
引力及其载体引力子渗透到弦理论的所有维度。 但是黑暗维度比其他额外的维度大得多——高出许多数量级——以至于引力的强度被稀释了，如果它明显渗入更宽敞的黑暗维度，它在我们的四维世界中显得很弱。 “这解释了重力和其他力之间的非凡差异，”Devalli说，并指出在其他超维场景中也看到了同样的效果。
由于暗维度场景可用于暗物质等事物，因此可以进行经验测试。 “如果我给你一些你永远无法测试的相关性，你将永远无法证明我是错的，”《原始黑暗维度》的合著者瓦伦苏埃拉说。 “* 你实际上可以证明或反驳的东西更有趣。
自1978年以来，天文学家已经知道暗物质的存在——至少是以某种形式——当时天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）确定星系的旋转速度如此之快，如果不是因为一些巨大的看不见的物质挡住了它们，它们最外层的恒星就会被抛向远处。 然而，事实证明很难确定这种物质。 尽管已经进行了近40年的实验来探测暗物质，但这种粒子尚未被发现。
如果暗物质被证明是暗引力子，它们的相互作用非常微弱，vafa说，这不会改变。 “他们永远不会被直接找到。 ”
但可能有机会间接发现这些引力子的特征。
Vafa和他的合作者正在采用的一种策略是使用大规模的宇宙学调查来绘制星系和物质的分布图。 在这些分布中，可能存在“聚类行为的微小差异”，Obied说，这表明存在黑暗引力子。
当较重的暗引力子衰变时，它们会产生一对较浅的深色引力子，其总质量略小于其母粒子的质量。 缺失的质量被转化为动能（与爱因斯坦的公式一致，e = mc2），这给新创造的引力子带来了一点提升——“踢速”估计约为光速的 1/10,000。
反过来，这些踢速可能会影响星系的形成方式。 根据标准的宇宙学模型，星系开始时是一团物质，它们的引力会吸引更多的物质。 但是具有足够踢球速度的引力子可以逃脱这种引力抓地力。 如果它们这样做，由此产生的星系的质量将略低于标准宇宙学模型**。 天文学家可以寻找这种差异。
到目前为止，1000度调查对宇宙结构的观察与暗维度的观察一致：对调查数据的分析表明，踢球速度的上限非常接近奥比德和他的合著者**的值。 去年7月发射的欧几里得太空望远镜将接受更严格的测试。
与此同时，物理学家还计划在实验室中测试暗维度的想法。 如果重力泄漏到直径为 1 微米的暗维度中，原则上可以寻找相隔相同距离的两个物体之间与预期重力的任何偏差。 这不是一个容易进行的实验，奥地利科学院的物理学家Armin Shayeghi说。 但是，“我们必须做这个实验的原因很简单，”他补充说：在我们观察它之前，我们不会知道重力在如此近的距离上是如何表现的。
迄今为止最接近的测量——2020 年在华盛顿大学进行——涉及两个测试设施之间的 52 微米间隔。 奥地利团队希望最终达到暗维度的1微米范围**。
虽然物理学家认为黑暗维度的提议很有趣，但有些人怀疑它是否会成功。 “通过更精确的实验寻找额外的维度非常有趣，”高级研究所的物理学家胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena）说，“尽管我认为找到它们的可能性很低。
牛津大学（University of Oxford）的物理学家约瑟夫·康伦（Joseph Conlon）也持怀疑态度：“有很多想法如果属实，会很重要，但可能不是。 这是其中之一。 它所依据的猜想有些雄心勃勃，我认为目前的证据相当薄弱。
当然，证据的权重是可以改变的，这就是我们首先做实验的原因。 暗维度的提议，如果得到即将到来的测试的支持，有可能使我们更接近于理解暗物质是什么，它如何与暗能量和引力联系起来，以及为什么与其他已知力量相比，引力看起来很弱。 “理论家们总是试图把这种'一起'。黑暗维度是我在这个方向上听到的最有前途的想法之一，“Gopakumar说。
但具有讽刺意味的是，暗维度理论无法解释的一件事是，为什么宇宙学常数如此之小——一个令人费解的事实，基本上拉开了整个研究线的序幕。 “这个程序确实没有解释这个事实，”瓦法承认。 “但从这种情况中我们可以说的是，如果lambda很小 - 并且你详细说明了它的后果 - 可能会有一整套令人惊奇的事情。