高維度宇宙長(zhǎng)什么樣？科學(xué)家：引力波或揭示奧秘！

隱藏的維度可能通過(guò)影響引力波來(lái)在現(xiàn)實(shí)中產(chǎn)生影響—而探測(cè)額外維度的這種蹤跡可以幫助解決宇宙中某些最大的未解之謎。

物理學(xué)家從很久以前就開(kāi)始疑惑為什么引力與其他基本力相比如此微弱。這也許是因?yàn)橐徊糠忠Πl(fā)散到了比我們平時(shí)接觸的三個(gè)空間維度更高的維度。

某些試圖解釋引力和量子效應(yīng)怎樣結(jié)合在一起的理論，例如弦理論，需要引入額外的維度，這些維度中常常有引力傳播。因此，找到這些額外維度存在的證據(jù)可以幫助描述引力，或者提供一條統(tǒng)一引力和量子力學(xué)的途徑—它還可以為解釋為什么宇宙膨脹在加速提供線索。

但是，探測(cè)額外維度是個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。任何可能存在的額外維度必須非常小，從而避免影響我們的日常生活。許多人對(duì)它們會(huì)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)中出現(xiàn)抱很大希望，但它還并未發(fā)現(xiàn)任何超出我們的四維時(shí)空的物理的跡象。

不過(guò)，在過(guò)去兩年，一個(gè)新的希望出現(xiàn)了。引力波，由質(zhì)量巨大的物體的運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)空波紋，在2015年第一次被觀測(cè)到。因?yàn)橐芸赡艽嬖谟谒芯S度中，它的波動(dòng)提供了一條極有希望探測(cè)到額外維度的途徑。

“如果宇宙中存在額外維度，那么引力波可以穿越任何維度，甚至是那些額外的維度。”來(lái)自位于德國(guó) Potsdam 市 Max Planck 引力物理學(xué)會(huì)的 Gustavo Lucena GÓmez 說(shuō)。

GÓmez 與他的同事 David Andriot 計(jì)算了可能存在的額外維度會(huì)如何影響我們能觀測(cè)到的引力波。他們發(fā)現(xiàn)了兩種特殊的效應(yīng)：高頻段額外的波，和對(duì)引力波拉伸空間方式的修正。

他們的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引力波在一塊很小的高維時(shí)空中傳播時(shí)，它會(huì)生成一個(gè)由頻率服從正態(tài)分布的額外高頻引力波構(gòu)成的“波塔”。

但是，現(xiàn)有的觀測(cè)設(shè)備不足以探測(cè)到如此高頻的引力波，并且大多數(shù)計(jì)劃建造的觀測(cè)所都把重點(diǎn)放在低頻波上。所以雖然這些額外的波可能到處都是，可是它們很難被發(fā)現(xiàn)。

額外維度的第二種效應(yīng)或許更容易被探測(cè)到，因?yàn)樗鼘?duì)我們觀測(cè)的“正常”引力波進(jìn)行修正，而非引入額外的波。

“如果宇宙中存在額外維度的話，引力波會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)狀況下無(wú)法做到的方式拉伸或擠壓時(shí)空。” GÓmez說(shuō)。

當(dāng)引力波在宇宙中傳播時(shí)，它會(huì)以一種特定的方式拉伸和擠壓空間。這就像扯橡皮筋一樣：皮筋形成的橢圓在一個(gè)方向變長(zhǎng)，在另一方向變短，然后恢復(fù)原狀。

但是，額外的維度帶來(lái)了引力波扭曲時(shí)空的一種新的方式，它叫做”呼吸模式“。空間在引力波經(jīng)過(guò)時(shí)除了被拉伸和擠壓外，還會(huì)像呼吸時(shí)的肺一樣膨脹和收縮。

“利用更多的探測(cè)器，我們將能看到這種呼吸模式是否存在。” GÓmez說(shuō)。

“額外的維度已經(jīng)從不同角度被討論了很長(zhǎng)時(shí)間，”來(lái)自法國(guó)綜合理工學(xué)院的 Emilian Dudas 說(shuō)道，“引力波可能為探索額外維度帶來(lái)新轉(zhuǎn)折。”

但是，這里有一個(gè)權(quán)衡：探測(cè)到一個(gè)高頻引力波的波塔會(huì)不容置疑地指向額外維度的存在，然而呼吸模式還可以被其他許多非標(biāo)準(zhǔn)的引力理論解釋。