如果你相信引力波,那就是宇宙中的四维空间

由:伊恩·奥尼尔博士。

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1.3亿光年之外的两颗中子星的超级碰撞为研究我们的宇宙有多少维提供了一些很好的线索。迈克尔·史蒂文森/ UIG/盖蒂图片社

许多物理理论预测除了我们所熟知的四个维度(三维空间,一维时间)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团。例如,一些理论解释暗物质暗能量被固定在这样一个想法中:除了我们每天经历的维度之外,还有更多“额外”的维度存在;它们非常小,很难观察到。

然而,去年,宇宙帮了我们一个大忙。1亿三千万光年远,2中子星碰撞并在2017年8月17日被美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)和意大利的处女座天文台探测到,以引力波海啸冲击宇宙。此外,事件爆发了kilonova产生了一个非常明亮的伽马射线暴,在它的尾部留下了重元素——比如金。美国和意大利的探测器记录了时空的涟漪,而美国宇航局的斯威夫特太空天文台(和其他天文台)则探测到了电磁辐射。

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天体物理学家了真的对这个活动感到很兴奋。他们有史以来第一次同时观测到来自同一事件的电磁波和引力波——他们可以将这两种信号进行比较,从而对我们的宇宙做出新的发现。这一发现为LIGO的科学家们赢得了诺贝尔物理学奖,开创了“多信使天文学”的新时代引力波探测器发现碰撞的中子星,并发现一个科学金矿).

现在,研究人员利用这一历史性事件对地层进行了探测除了四维时空揭示了我们的宇宙可能比一些物理理论预测的要简单得多。

让我们回到我们提到的暗物质和暗能量的奥秘。宇宙中的绝大多数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,所以我们知道它就在那里——不管“它”是什么。暗能量更令人困惑。就像暗物质一样,暗能量是“暗的”,因为我们并不真正知道它是什么。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罪魁祸首。

许多关于暗物质和暗能量的理论都被提出了,其中一些理论需要我们所知道的四个维度之外的额外维度的存在。有趣的是,引力波被认为是一种可能的机制,可以用来探测这个未知的外次元领域。

简单地说,当引力波在光的速度科学家们认为,通过时空,一些引力波的能量会“泄露”到额外的维度,如果这些额外的维度存在的话。因此,当被引力波天文台探测到时,引力波的振幅将比预测的要小。正常的电磁辐射(即伽马射线暴发出的光)不会与这些额外的维度相互作用,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,原则上两者应该会显示出差异。

唉,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——就像爱因斯坦的预测他的广义相对论,和一个多世纪前预测引力波存在的理论是一样的。

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,或者我们只是需要测量更多的多信使事件——但引力波在被发现仅3年后,已经实现了挑战一些关键宇宙学理论的承诺。

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