Гравитационные волны: ключ к открытию новых измерений?

Если мы хотим найти дополнительные измерения в нашей Вселенной, то есть то, о существовании чего нам пытается объяснить так называемая Теория струн, то нам следует обратить наше внимание на гравитационные волны. Потому что именно они могут являться ключом к их открытию, говорят физики.

Именно так можно кратко описать идею новой гипотезы, которая пытается найти ответ на нерешенную загадку физики: почему гравитация по факту оказывается слабее, чем другие фундаментальные силы нашей Вселенной? Согласно новой гипотезе, «утечка» гравитации ведет как раз в иные измерения, которые нам еще только предстоит обнаружить.

«Вероятность существования других измерений обсуждается уже довольно давно и с совершенно разных точек зрения», — говорит Эмильян Дудас из Политехнической школы в Париже.

«Гравитационные волны, в свою очередь, могут стать ключом к открытию этих дополнительных измерений».

Сейчас широко принимаемой является идея о четырех измерениях — трех пространственных (длина, ширина, высота) и одного временного (времени). Однако наши знания о том, как ведет себя материя на самых малых масштабах, содержат множество пробелов, заполнить которые могли бы дополнительные шесть измерений. Так считает Теория струн, согласно которой все во Вселенной можно было бы гораздо проще понять и объяснить, если бы мы согласились с идеей о существовании 10 измерений. Кроме того, Теория струн рассматривается в качестве наиболее вероятного способа наконец заполнить пробелы между классической и квантовой физиками, став основой для будущей теории квантовой гравитации.

Согласно данной теории, мельчайшие частицы материи, которые мы способны засечь, кварки, на самом деле могут состоять из еще более мелких частиц – одномерных волокон энергии, своим поведением напоминающих вибрирующие струны. Эти «струны» очень интересуют ученых по одной простой причине. Есть мнение, что они смогут сделать то, что не в состоянии сделать наша современная физика, а именно: точно описать все известные нам наиболее фундаментальные силы, включая гравитацию, электромагнетизм и ядерные силы. Они также способны помочь нам понять, почему Вселенная по-прежнему расширяется. Однако основная (и, пожалуй, единственная существенная) проблема заключается в том, что для своего математического обоснования они (струны) требуют наличия как минимум 10 измерений. И беда в том, что мы пока не приблизились даже к тому, чтобы открыть одно-единственное дополнительное.

Тем не менее физики Густаво Лусена-Гомез и Дэвид Андриот из Института физики Макса Планка в Германии убеждены, что надежда на открытие этих дополнительных измерений у нас есть. И этой надеждой являются гравитационные волны, давным-давно предсказанные великим Эйнштейном и только совсем недавно подтвержденные современными учеными.

Гравитационные волны стали одной из самых горячо обсуждаемых тем прошлого года, когда физики из LIGO – двух гигантских обсерваторий, расположенных в американских штатах Луизиана и Калифорния, – объявили о том, что впервые обнаружили прямые доказательства существования так называемой ряби пространства-времени, которую около 100 лет назад предсказал Эйнштейн. Эти волны путешествуют через пространство-время со скоростью света и появляются в результате одних из самых катастрофических событий во Вселенной, таких как слияние черных дыр или взрывы звезд. Они способны проходить и тем самым влиять на все известные нам измерения во Вселенной и, скорее всего, даже на те, которые мы пока не способны обнаружить.

«Если во Вселенной имеются дополнительные измерения, то логично было бы предположить, что гравитационные волны будут существовать во всех этих измерениях», — комментирует Гомез.

Гомез и Андриот вывели математическую модель, описывающую предполагаемые эффекты воздействия гравитационных волн на измерения, и определили два ключевых фактора. Во-первых, по мнению исследователей, дополнительные измерения могут проявить себя благодаря высокочастотным гравитационным волнам. Во-вторых, в разных измерениях гравитационные волны должны по-разному влиять на растяжение «ткани» Вселенной.

По мнению исследователей, в первом случае для обнаружения потребовалось бы наличие оборудования, в тысячи раз более чувствительного, чем у той же LIGO.

«Нам еще не встречались астрофизические процессы, создающие гравитационные волны с частотой гораздо выше 1000 Гц, поэтому, при наличии соответствующего сверхмощного и чувствительного детектора, мы бы сразу поняли, свидетелем чего мы являемся. Определение частот такого уровня могло бы намекать на открытие новой физики».

А второй случай потребует от физиков изучения аномальных изменений во влиянии на пространство-время «обычных гравитационных волн» (то есть тех, которые мы можем определить уже сейчас) и тех, которые имелись бы у гравитационных волн из других измерений.

«Деформация пространства-времени была бы представлена в определенном, отличительном от всего остального виде», — сообщают ученые.

Научный обозреватель Newsweek Ханна Осборн более оптимистично смотрит на возможность обнаружения дополнительных измерений за счет их влияния на гравитационные волны. По ее мнению, потребуется детектор с уровнем чувствительности сразу трех лабораторий LIGO, работающих как единое целое. Осборн считает, что «такие технологии станут доступны уже в ближайшем будущем».

Существование других измерений может быть тем самым ответом современной физики, который так давно и настойчиво ищут ученые. Другие измерения могли бы привести к созданию единой теории о Вселенной, которая примиряла бы теорию квантового поля с общими принципами относительности.

Мнение о вероятности существования дополнительных измерений разделяют множество ученых. Например, физик-теоретик Бобби Ачария из Королевского колледжа Лондона считает, что Вселенная гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд, и скрываться в ней может все что угодно. Он верит в дополнительные измерения, но прекрасно понимает, что нынешний уровень технологий не позволяет их обнаружить.

«Для создания и перераспределения гравитационных волн в другие измерения вам потребуется наличие колоссального объема энергии. Даже если вам удастся создать волны, которые просочатся в другие измерения, масштаб будет настолько мал, что частота гравитационных волн в этом случае будет очень высокой, гораздо выше нынешних возможностей обнаружения детектора гравитационных волн LIGO».