Cara mencari tanda-tanda dimensi tambahan

Saya telah memberi Anda beberapa contoh tentang bagaimana dimensi tambahan dapat diwakili di alam - dimensi di ruang, yang bahkan tidak kita sadari. Namun sejauh ini saya belum menjelaskan bagaimana para ilmuwan dapat belajar tentang keberadaan mereka.

Di sini Anda dapat menggunakan beberapa strategi dasar, tetapi untuk saat ini saya akan berkonsentrasi pada satu konsekuensi sederhana dari keberadaan dimensi tambahan. Ini memiliki karakter yang sangat umum dan mengarah pada strategi untuk mempelajari fisika partikel, yang relevan dengan banyak penelitian, termasuk eksperimen di Large Hadron Collider.

Penjelasan saya akan terdiri dari dua tahap. Pada tahap pertama, menggunakan fisika paling sederhana, saya akan memberi Anda pemahaman intuitif, sederhana tetapi tidak sempurna (karena mekanika kuantum tidak akan diperhitungkan di dalamnya), dan saya akan memberikan jawaban yang sebagian salah. Pada langkah kedua, saya akan memperbaiki ketidakakuratan, yang akan membutuhkan kerumitan tambahan lainnya, dan kemudian Anda akan melihat seluruh jawabannya.

Tetapi sebelum memulai penjelasan, saya pertama-tama akan memberi Anda jawaban segera sehingga Anda mengerti apa yang perlu saya jelaskan kepada Anda. Ini dia - dalam beberapa cara, untuk membuatnya lebih jelas bagi Anda.

Setiap partikel yang bergerak dalam dimensi selain yang sudah kita kenal akan tampak seperti Anda dan saya, pengamat naif yang tidak tahu tentang dimensi tambahan, ke partikel dari beberapa jenis, yang masing-masing hanya bergerak dalam dimensi yang diketahui oleh kita, dan perbedaan di antaranya sangat kecil, kecuali untuk massa mereka.

Dengan kata lain: jika sebuah partikel dari jenis tertentu dapat bergerak di semua dimensi, maka akan terlihat bagi pengamat yang tidak tahu bahwa di alam tidak hanya ada partikel ini (hanya bergerak dalam dimensi yang diketahui), tetapi seluruh rangkaian partikel terkait, “mitra KK,” masing-masing yang juga bergerak ke arah yang diketahui, sedikit berbeda dari partikel aslinya, kecuali bahwa mereka akan lebih berat. "KK" mengacu pada teori Kaluza-Klein , tentang yang nanti.

Misalkan kita hidup dalam empat dimensi spasial, tiga di antaranya besar (diketahui oleh kita), dan keempat sangat pendek (seperti lebar strip yang saya gunakan dalam contoh sebelumnya). Singkatnya berarti jarak yang sangat pendek, kurang dari diameter proton. Sebut jarak ini L.

Sekarang bayangkan ada partikel, sangat, sangat kecil, lebih kecil dari L, yang dapat bergerak bebas di keempat dimensi spasial. Kami juga mengasumsikan adanya pengamat licik yang tahu bahwa partikel ini dapat bergerak dalam empat dimensi dan memiliki massa m. Sekarang kita akan mempertimbangkan pengamat naif yang tidak tahu tentang dimensi spasial kecil, yang percaya bahwa mereka hidup di dunia tiga dimensi. Setelah beberapa percobaan ditunjukkan dalam gambar. 1, kita dapat mengatakan: "Ini adalah satu jenis partikel yang dapat bergerak dalam tiga dimensi, dan ia memiliki massa m; tetapi, lihat, jenis partikel lain, juga mampu bergerak dalam tiga dimensi, dan mirip dengan yang pertama, hanya massanya M, lebih dari m; dan, wow, inilah jenis partikel lain yang mampu bergerak dalam tiga dimensi, mirip dengan yang pertama, hanya saja ia memiliki massa M ', lebih besar dari M; dan jenis partikel lain, massa M ”; dan lebih banyak, dan banyak lagi ... "


Fig. 1

Massa M, M ', M ”dan seterusnya ditentukan oleh kombinasi massa fundamental m dan geometri dimensi spasial tambahan - khususnya, M, M', M” dan seterusnya berbanding terbalik dengan L. Semakin kecil L, semakin besar M, M ', M ”dan seterusnya, dan semakin sulit untuk menemukan mitra QC yang berat. Selain itu, urutan massa yang muncul dalam mitra QC memberikan indikasi langsung tentang kuantitas, ukuran dan bentuk pengukuran tambahan. Anda dapat memberikan analogi musikal - fakta ini disebabkan oleh fakta bahwa harmonik yang dihasilkan oleh instrumen dapat memberikan informasi tentang bentuk dan ukurannya.

Misalnya: jika foton (partikel cahaya) dapat bergerak dalam satu atau beberapa dimensi tambahan, seperti perahu di saluran, maka pengamat yang akan mengetahui dimensi tambahan akan menggambarkannya sebagai partikel tanpa massa (m = 0) bergerak di semua dimensi . Tetapi seorang ilmuwan manusia yang sejauh ini hanya tahu foton tak bermassa bergerak dalam tiga dimensi yang diketahui akan menemukan serangkaian partikel berat yang mirip dengan foton. Semakin kecil ukuran pengukuran tambahan, semakin besar massa foton KK, dan semakin sulit untuk membukanya - lebih tepatnya, semakin berat, dan semakin banyak energi yang dibutuhkan akselerator partikel untuk menghasilkannya.

Mungkin beberapa jenis partikel dapat bergerak dalam dimensi tambahan, dan dalam hal ini, para ilmuwan akan menemukan mitra KK berat untuk masing-masing jenis partikel ini (lihat Gambar 2). Penemuan sejumlah kecil partikel berat menyerupai beberapa partikel cahaya yang diketahui, yang distribusi massanya akan menunjukkan mirip dengan Gambar. Distribusi 2 jelas akan menunjukkan bahwa partikel baru adalah mitra QC, dan bahwa kami memiliki satu atau lebih dimensi tambahan.


Fig. 2

Ini adalah jawaban sederhana: partikel yang bergerak baik dalam dimensi tambahan maupun yang diketahui akan membuka diri kepada kita melalui penemuan mitra QC yang berat. Nanti saya akan lebih akurat menggambarkan bagaimana Anda dapat mencoba untuk menghasilkan dan membuka mitra QC dalam percobaan. Dalam artikel berikut, saya akan menjelaskan mengapa jawaban khusus ini benar - dan saya akan memberikan versi penjelasan yang sederhana dan kompleks.