Многие физические теории предсказывают больше измерений, чем четыре, которые мы знаем и любим (три измерения пространства, одно измерение времени). Наличие этих дополнительных измерений было бы удобно для объяснения некоторых из самых запутанных тайн Вселенной. Например, некоторые теории, объясняющие темную материю и темную энергию, основаны на идее о том, что наряду с теми, с которыми мы сталкиваемся каждый день, существует гораздо больше «дополнительных» измерений; они просто исчезающе малы, и их очень трудно наблюдать.
В прошлом году, однако, Вселенная оказала нам солидную помощь. На расстоянии ста тридцати миллионов световых лет две нейтронные звезды столкнулись и слились, взорвав космос цунами гравитационных волн, которые были обнаружены лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в США. S. и обсерватория Virgo в Италии, 17 августа 2017 г. Кроме того, событие привело к выбросу килоновой, создав очень яркий гамма-всплеск, оставив после себя тяжелые элементы, такие как золото. Детекторы в США и Италии зафиксировали рябь в пространстве-времени, в то время как космическая обсерватория NASA Swift (и другие) обнаружила электромагнитное излучение.
Астрофизики были очень взволнованы этим событием. Впервые в истории они наблюдали как электромагнитные волны, так и гравитационные волны в одном и том же событии - они могут сравнить эти два сигнала, чтобы сделать новые открытия о нашей Вселенной. Это открытие, в результате которого ученым из LIGO была присуждена Нобелевская премия по физике, положило начало новой эре «астрономии с несколькими посланниками» (см. «Детекторы гравитационных волн обнаруживают сталкивающиеся нейтронные звезды - и раскрывают научную золотую жилу»).
Исследователи использовали это историческое событие, чтобы исследовать слои за пределами четырех измерений пространства-времени, чтобы показать, что наша Вселенная может быть намного проще, чем предсказывают некоторые физические теории.
Давайте вернемся к упомянутым нами тайнам темной материи и темной энергии. Считается, что подавляющее большинство материи во Вселенной состоит из вещей, которые мы не можем видеть. Однако мы можем чувствовать его гравитационное воздействие, поэтому мы знаем, что оно там - чем бы оно ни было. Темная энергия еще более загадочна. Как и темная материя, темная энергия является «темной», потому что мы на самом деле не знаем, что это такое. Но мы знаем, что он где-то там, и космологи считают, что он отвечает за ускоренное расширение Вселенной.
Было предложено множество теорий как для темной материи, так и для темной энергии, некоторые из которых требуют существования дополнительных измерений помимо четырех, о которых мы знаем. Интересно, что гравитационные волны рассматривались как возможный механизм, который можно использовать для исследования этого неизвестного межпространственного царства.
Проще говоря, поскольку гравитационные волны распространяются со скоростью света через пространство-время, ученые считают, что часть энергии гравитационных волн будет "просачиваться" в дополнительные измерения, если эти дополнительные измерения существуют. Таким образом, при обнаружении обсерваторией гравитационных волн волны будут иметь меньшую амплитуду, чем предполагалось. Обычное электромагнитное излучение (то есть свет от гамма-всплеска) не взаимодействует с этими дополнительными измерениями и останется неизменным. Измеряя сигнал гравитационной волны от прошлогоднего столкновения нейтронной звезды и сравнивая его с электромагнитным сигналом, они, в принципе, должны демонстрировать несоответствие, если эти дополнительные измерения существуют.
Увы, согласно этому исследованию, не было никакой разницы, что указывало на то, что и световые, и гравитационные волны распространяются только через четырехмерное пространство-время - как и предсказывал Эйнштейн в своей общей теории относительности, той же теории, которая предсказывала существование гравитационных волн более века назад.
Это не обязательно означает, что дополнительных измерений не существует - это может просто означать, что наши теории о том, как гравитация взаимодействует с этими измерениями, должны быть изменены или что нам просто нужно измерять больше событий с несколькими посланниками - но спустя всего три года после их открытия гравитационные волны уже оправдывают свое обещание бросить вызов некоторым ключевым космологическим теориям.