引力波告诉我们,宇宙只有四个维度

引力波告诉我们,宇宙只有四个维度

许多物理理论预测,宇宙在我们所知四个维度(三个空间维度,一个时间维度)之外,还有更多的维度。拥有这些额外的维度将有助于解释宇宙中一些最令人困惑的谜题。例如,一些解释暗物质和暗能量的理论都基于这样一种观点:除了我们每天经历的维度之外,还有更多的“额外”维度,它们非常小,所以很难观察到。

2017年8月17日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和意大利室女座天文台探测到,在1.3亿光年之外,两颗中子星发生碰撞并融合,引发了引力波海啸,对宇宙造成了巨大冲击。此外,伴随着强烈的伽马射线爆发。

天体物理学家对此非常兴奋。这是历史上第一次,他们同时观测到来自同一事件的电磁波和引力波,他们可以比较这两种信号,从而对我们的宇宙有新的发现。这一发现为LIGO的科学家们带来了诺贝尔物理学奖,也开启了“多信使天文学”的新时代

现在,研究人员利用这一历史性事件来探索时空四维之外的层次,揭示我们的宇宙可能比一些物理理论预测的要简单得多。

让我们回到暗物质和暗能量的神秘问题上来。宇宙中绝大多数的物质被认为是由我们看不见的物质所体现的。然而,我们可以感受到它的引力效应,所以我们知道它的存在。暗能量更令人费解。就像暗物质一样,暗能量是“暗的”,因为我们还不知道它到底是什么。但我们知道它就在那里,宇宙学家相信它是推动宇宙加速膨胀的原因。

关于暗物质和暗能量,人们提出了许多理论,其中一些理论要求存在超出我们所知的四个维度之外的额外维度。有趣的是,引力波被认为是一种可能的机制,可以用来探索这个未知的外维度领域。

简单地说,由于引力波以光速在时空中传播,科学家们认为如果这些额外的维度存在的话,一些引力波的能量会“泄露”到额外的维度中。因此,当引力波被天文台探测到时,引力波的振幅会比预测的要小。正常的电磁辐射(即伽马射线爆发产生的光),不会与这些额外维度相互作用,并将保持不变。通过测量去年中子星碰撞产生的引力波信号,并将其与电磁信号进行比较,如果这些额外维度存在的话,这两者原则上应该会显示出差异。

可惜,根据这项研究,两者并没有区别,这表明光和引力波都只在四维时空中传播,正如爱因斯坦在他的广义相对论中所预言的那样,这个理论在一个多世纪前就预言了引力波的存在。

这并不一定意味着额外的维度不存在,它可能只是意味着我们关于引力如何与这些维度相互作用的理论需要修改,或者我们只需要测量更多的多信使事件。