引力波或将揭示额外维度的奥秘

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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 Zeno 编辑发布。