@ 2017.05.05 , 17:00
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引力波或将揭示额外维度的奥秘

引力波或将揭示额外维度的奥秘
credit: 123RF

隐藏的维度可能通过影响引力波来在现实中产生影响—而探测额外维度的这种踪迹可以帮助解决宇宙中某些最大的未解之谜。

物理学家从很久以前就开始疑惑为什么引力与其他基本力相比如此微弱。这也许是因为一部分引力发散到了比我们平时接触的三个空间维度更高的维度。

某些试图解释引力和量子效应怎样结合在一起的理论,例如弦理论,需要引入额外的维度,这些维度中常常有引力传播。因此,找到这些额外维度存在的证据可以帮助描述引力,或者提供一条统一引力和量子力学的途径—它还可以为解释为什么宇宙膨胀在加速提供线索。

但是,探测额外维度是个艰巨的挑战。任何可能存在的额外维度必须非常小,从而避免影响我们的日常生活。许多人对它们会在大型强子对撞机(LHC)中出现抱很大希望,但它还并未发现任何超出我们的四维时空的物理的迹象。

不过,在过去两年,一个新的希望出现了。引力波,由质量巨大的物体的运动引起的时空波纹,在2015年第一次被观测到。因为引力很可能存在于所有维度中,它的波动提供了一条极有希望探测到额外维度的途径。

“如果宇宙中存在额外维度,那么引力波可以穿越任何维度,甚至是那些额外的维度。”来自位于德国 Potsdam 市 Max Planck 引力物理学会的 Gustavo Lucena GÓmez 说。

GÓmez 与他的同事 David Andriot 计算了可能存在的额外维度会如何影响我们能观测到的引力波。他们发现了两种特殊的效应:高频段额外的波,和对引力波拉伸空间方式的修正。

他们的团队发现,当引力波在一块很小的高维时空中传播时,它会生成一个由频率服从正态分布的额外高频引力波构成的“波塔”。

但是,现有的观测设备不足以探测到如此高频的引力波,并且大多数计划建造的观测所都把重点放在低频波上。所以虽然这些额外的波可能到处都是,可是它们很难被发现。

额外维度的第二种效应或许更容易被探测到,因为它对我们观测的“正常”引力波进行修正,而非引入额外的波。

“如果宇宙中存在额外维度的话,引力波会以标准状况下无法做到的方式拉伸或挤压时空。” GÓmez说。

当引力波在宇宙中传播时,它会以一种特定的方式拉伸和挤压空间。这就像扯橡皮筋一样:皮筋形成的椭圆在一个方向变长,在另一方向变短,然后恢复原状。

但是,额外的维度带来了引力波扭曲时空的一种新的方式,它叫做”呼吸模式“。空间在引力波经过时除了被拉伸和挤压外,还会像呼吸时的肺一样膨胀和收缩。

“利用更多的探测器,我们将能看到这种呼吸模式是否存在。” GÓmez说。

“额外的维度已经从不同角度被讨论了很长时间,”来自法国综合理工学院的 Emilian Dudas 说道,“引力波可能为探索额外维度带来新转折。”

但是,这里有一个权衡:探测到一个高频引力波的波塔会不容置疑地指向额外维度的存在,然而呼吸模式还可以被其他许多非标准的引力理论解释。

“它也许不是独一无二的特征,” Dudas说,“但它会非常亦可赛艇。”

本文译自 New Scientist,由译者 Zeno 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 24+1

  1. 3442682

    谁能描述下四维的模型

  2. 也不要算点
    @4 months ago
    3442686

    但它会非常亦可赛艇

  3. 也不要算点
    @4 months ago
    3442688

    但它会非常亦可赛艇

  4. 商周知
    @4 months ago
    3442704

    为毛感觉四维宇宙是膜状结构\ ⃢ — ⃢ /

    [12] XX [1] 回复 [0]
  5. 3442714

    arXiv:1704.07392 [hep-th]

  6. 3442715

    arXiv:1704.07392 [hep-th]

  7. 3442722

    问四维是怎么回事的
    我的看法是引力造成的时空变化就是在第四维上的
    这么一说是不是就觉得想象四维空间变得简单了很多?

  8. 3442755

    @嗯嗯: 无法描述

  9. 3442763

    难道有那么一种存在和运动状态不在空间维度内的什么东西吗

  10. 杨药师
    @4 months ago
    3442774

    似乎物理里并无四维时空这个说法,四维时空是一种空间维度的“伪分类”。我们所在的就是三维空间,时间轴只是因三维空间变化而被定义出来的概念。

  11. 3442784

    引力要是再强那么一点点那这个宇宙就满是黑洞了。

  12. 3442795

    “额外维度”这样的说法本身不会显得有认知局限么

  13. 3442798

    @杨药师: 当然不是这样。“四维时空”是基本概念。

  14. 3442814

    原来seth speaks说的都是真的

  15. 3442827

    我觉的人类如果没有生理机能上的进化,发现并体验到超3D的维度是不可能的。

  16. wxd9321
    @4 months ago
    3442959

    @杨药师: 并不 据我所知 我们空间的维度是不确定的 空间可以是三维四维十六十八维 三维的长宽高只是最基础我们能够认知的维度而已 顺便一提 四维时空这个概念是爱因斯坦的相对论提出的 它提出长宽高和时间的这个概念 但相对论里也提到时间空间物质是不能三者分开解释的 因为时间其实是物质规律变化的度量大小的单位 实际上是既存在又不存在的 空间也一样 所以其实他们都是同一个东西 不能分开解释 这个四维时空的概念只是方便理解而已而 实际上并不是就是这样解释的 具体的解释你可以看四元数的书

  17. 3442992

    @wxd9321: 按照m理论来讲一共十一维,涵盖所有,一切。 这些都不是关键。关键是不是说了么 现有的仪器不行,要新的,要更多。要钱的软文啊

  18. 3442995

    但它会非常亦可赛艇

  19. sarcophile
    @4 months ago
    3443003

    想象一个u型针穿过一个二维的膜,膜上的二维生物看到的是两个点,推动一个另外一个就会跟着动,类比一下,我们看到的量子纠缠也是这样的@嗯嗯:

    [10] XX [0] 回复 [0]
  20. sarcophile
    @4 months ago
    3443005

    微观上面一个粒子,如果在四维空间里做布朗运动,如果按照一定的统计规律穿越三维空间,也会在我们的三维空间里形成我们现在观察到的概率云现象@嗯嗯:

  21. 3443089

    @wxd9321: 实际上,爱因斯坦广义相对论的数学形式可以适用于任意维度,只不过和当时大部分人一样,他认为只考虑四维时空就足够了(为了和实验验证符合,如光线偏折、水星近日点进动、引力红移,解高维时空引力场方程也无益)。
    时间和空间的地位是平等的:从度规看来,下标μ是0还是1~3哪有什么区别。
    时间和空间都是存在的。
    时空弯曲告诉物质如何运动,物质分布告诉时空如何弯曲。
    时空弯曲的爱因斯坦张量 等于 物质分布的能量-动量张量。
    这跟四元数不是一回事;广义相对论里计算黎曼张量、里奇张量和爱因斯坦张量,是可以在任意维度里计算的。
    实际上,假如你去看本文的主角Gustavo Lucena Gomez的论文: https://arxiv.org/pdf/1704.07392.pdf
    第一节Introduction之后的第二节一上来就是计算任意D维时空广义相对论
    然后第2.2小节再把D维分解成4+N,其中4维是平坦的闵可夫斯基几何
    然后第三节将额外的N维空间取成有界无边的紧致流形

  22. 不敢说
    @4 months ago
    3443204

    我才知道,原来蛋蛋里有这么多读书人

  23. 3443614

    思维空间的话,想象除了上下左右前后意外还有一个而外的方向

  24. 3443872

    高维 正在 修复 三维 造成 的 破坏

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