引力波研究表明宇宙中只有四个已知的时空维度

2020-06-29 16:16 来源:新浪科技

1.3亿光年之外的中子星相撞事件为我们探索额外的宇宙维度提供了线索。

1.3亿光年外中子星的碰撞为我们探索宇宙的其他维度提供了线索。据国外媒体报道,有许多物理理论预测,除了我们熟悉的四维(三维和一维)之外,宇宙中还有更多的维度。有了这些额外的维度,宇宙中一些最复杂和最困难的奥秘就可以很容易地解释了。例如,一些解释暗物质和暗能量的理论是基于这样一个前提,即宇宙中有许多“额外”维度,并且认为这些维度就在我们周围,但是它们太小而无法观察。

2017年,宇宙为我们提供了一个绝佳的验证机会。1.3亿光年之外,两颗中子星相撞后合并,产生的引力波像海啸一样席卷了整个宇宙。2017年8月17日,引力波被美国的LIGO和意大利的处女座探测到。此外,这一事件还形成了数以千计的新恒星,产生了极其明亮的伽马射线爆发,并留下了重元素,如黄金。因此,美国和意大利的引力波探测器记录下了这次形成的时空波纹,美国航天局的尼尔格拉尔斯斯威夫特天文台探测到了电磁辐射。

这一事件让天体物理学家兴奋不已。在历史上,他们第一次观察到来自同一事件的电磁波和引力波,并比较这两种信号,从而做出与宇宙有关的新发现。这一发现不仅为相关科学家赢得了诺贝尔物理学奖,也开启了“多信使天文学”的新时代。

从那以后,研究人员开始利用这一历史性事件进一步探索除已知的四个空间和时间维度之外的维度层次。事实证明,我们的宇宙可能比许多物理理论预测的要简单得多。

让我们来谈谈暗物质和暗能量的奥秘。科学家认为宇宙中的大多数物质是由不可见的物质组成的。虽然我们不知道这些物质是什么,但我们能感觉到它们的引力效应,所以我们知道它们在那里。暗能量更令人困惑。像暗物质一样,暗能量的名称中有一个词“黑暗”,因为我们真的不知道它是什么。但是我们也知道它一定存在,宇宙学家认为暗能量是宇宙加速膨胀的驱动力。

科学家已经提出了许多关于暗物质和暗能量的理论,其中一些需要额外的维度来建立。有趣的是,在探索这些未知额外维度的过程中,我们也许能够利用引力波。

简而言之,科学家认为,如果存在其他维度,当引力波以光速在时间和空间中传播时,引力波的部分能量会“泄漏”到这些额外的维度中。因此,当被引力波观测站监测时,引力波的振幅应该比预期的要小。一般的电磁辐射(如伽马射线爆发)不会与这些额外维度相互作用,因此它不会改变。理论上,如果有其他维度,只要将2017年探测到的引力波信号与电磁信号进行比较,它们之间就会有一定的偏差。

然而,研究表明这两种信号没有区别,这意味着光信号和引力波的传播仅限于四维时空。这也符合爱因斯坦的广义相对论。此外,这个理论在一个多世纪前就预言了引力波的存在。

这并不意味着额外的维度不存在。也许这意味着我们的引力理论需要修改,或者我们需要测量更多的多信使事件。然而,这至少表明引力波在被发现后仅仅几年就实现了它们的“承诺”,这确实挑战了一些关键的宇宙理论。(树叶)