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宇宙中存在多个空间纬度:尺度过小、难以观察
2020-06-29 16:32:02  出处:新浪科技  作者:叶子 编辑:雪花   点击可以复制本篇文章的标题和链接

有许多物理理论预测,宇宙中除了我们所熟知的四个维度(三个空间维度和一个时间维度)之外,还有更多维度。如果有了这些额外维度,宇宙中一些最复杂艰深的谜团就很容易解释了。例如,一些解释暗物质和暗能量的理论就以宇宙中存在多个“额外”维度为前提,认为这些维度就在我们身边,只是尺度过小、难以观察而已。

而在2017年,宇宙为我们提供了一个绝佳的验证机会。在1.3亿光年之外,两颗中子星在相撞后合并,产生的引力波如海啸般席卷了整个宇宙。2017年8月17日,美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)和意大利的Virgo天文台监测到了此次引力波。此外,这次事件还形成了千新星,产生了极为明亮的伽马射线暴,并遗留下了金等重元素。于是,美国和意大利的引力波探测器记录下了此次形成的时空涟漪,NASA的尼尔·格雷尔斯雨燕天文台等则探测到了电磁辐射。

此次事件令天体物理学家们激动不已。有史以来头一次,他们观察到了来自同一起事件的电磁波和引力波,并可以将两个信号进行比较、从而做出与宇宙有关的新发现。此次发现不仅让相关科学家获得了诺贝尔物理学奖的殊荣,还开启了“多信使天文学”的新时代。

自此之后,研究人员便开始利用这一历史性事件、进一步探索除了已知的四个时空维度之外的维度层次。结果发现,我们的宇宙也许比许多物理理论预测的简单得多。

再说回我们刚才提到的暗物质和暗能量之谜。科学家认为,宇宙中的大多数物质都由我们看不见的物质构成。虽然不知道这些物质是什么,但我们可以感受到它们的引力效应,所以我们知道它们就在那里。而暗能量就更扑朔迷离了。和暗物质一样,暗能量名字里也有个“暗”字,因为我们实在不清楚它究竟为何物。但我们也知道它一定存在,并且宇宙学家相信,暗能量就是宇宙的加速膨胀的背后推手。

科学家针对暗物质和暗能量提出了许多理论,其中部分理论需要有额外维度的存在才能成立。有趣的是,在探索这些未知的额外维度领域的过程中,我们也许可以对引力波加以利用。

简单来说,科学家认为,假如真的存在其它维度的话,当引力波以光速在时空中传播时,引力波的部分能量便会“泄漏”到这些额外维度中去。因此被引力波天文台监测到时,引力波的振幅应当会小于预期。而一般的电磁辐射(比如伽马射线暴的光线)并不会与这些额外维度发生相互作用,因此不会变化。从理论上来说,假如存在其它维度的话,只要将2017年探测到的引力波信号与电磁信号相比较,两者之间便会呈现出一定偏差。

然而研究显示,这两个信号之间并没有什么区别,说明光信号和引力波的传播都仅限于四维时空。这也符合爱因斯坦广义相对论的预测。不仅如此,该理论还在一个多世纪前预言了引力波的存在。

这并不意味着额外维度一定不存在,也许说明我们的引力理论需要修改、或者是我们需要测量更多的多信使事件。不过这至少说明,发现引力波仅过了区区几年,引力波就已经兑现了自己的“诺言”,真的对一些关键宇宙理论发起了挑战。

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