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如果你相信引力波,那么宇宙只有4个维度
发布时间:2019-11-28
 


如果你相信引力波,那么宇宙只有4个维度


距离我们1.3亿光年远的两颗中子星合并事件,为我们研究宇宙总共有多少维度这个问题提供了重要线索。

很多物理学理论认为,宇宙不仅存在我们所知道和倾向认为的四个维度(空间的三个维度,时间一个维度),还存在更多的维度。用这些额外的维度去解释一些宇宙中最令人困惑的谜团是很方便的,例如一些理论认为,暗物质和暗能量存在于我们生存的维度之外的更高维度,他们非常小并且难以观测到。


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但是去年,宇宙让我们更加坚定自己的想法。2017年8月17日,距离我们1.3亿光年外,两颗中子星相撞并合并,爆炸产生的引力波分别被位于美国和意大利的激光干涉引力波天文台(LIGO)观测到。此外,这一事件也引发了一颗千倍新星大爆炸,产生了极强的伽马射线爆,并留下了重元素遗迹,比如金。美国和意大利的LIGO探测系统记录下了引力波的空间-时间信息,NASA的Swift太空天文台(和一些其他的天文台)探测到了电磁辐射信息。


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天文物理学家对此事件感到十分开心,因为这是历史上第一次从同一个事件中同时观测到电磁波和引力波,他们甚至可以结合两个方面的信息找到一些新宇宙发现。这个发现也使得参与LIGO项目的科学家获得诺贝尔奖,并开创了“多信使天文学”新时代。


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现在,研究人员利用这一历史性事件去探讨超越时空四维空间的高层面问题,去揭示我们的宇宙确实可能比一些物理理论所言的简单很多。让我们回到上文提到的暗物质和暗能量谜团,宇宙中大量的物质被认为是我们看不到的,但是,我们可以探测到它们的引力效应。因此我们就能够知道“它们”在哪里。暗能量就更加让人不解,像暗物质一样,暗能量也是“暗”的,我们并不清楚它们到底是什么,但是我们知道它是存在的,并且宇宙学家认为暗能量跟宇宙的加速膨胀有关。


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许多理论已经提出了暗物质和暗能量的概念,但是需要超过我们普通认知的四个维度之外的更多维度来支撑。有意思的是,引力波已经被挖掘成一个,可能揭示这个未知的额外的维度是否存在的线索。

简单来说,因为引力波的传播速度是光速,科学家认为它的能量会向更高的维度“泄露”——如果更高的维度存在的话。因此,当探测到引力波的时候,它的幅度可能比实际要小。普通的电磁辐射(例如伽马爆中的光线)不会与更高的维度产生相互作用因此保持原来的幅度大小。通过测量去年(2017)的中子星合并事件中的引力波并与电磁信号比较,如果更高维度真的存在,那么原则上来说,它们将表现出差异。


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但是,研究发现,它们并没有差异。这意味着电磁波和引力波只在时空的四维中传播——正如爱因斯坦用他的广义相对论所预测的那样。一个多世纪以前,爱因斯坦的广义相对论预测了引力波的存在。

但是这并不是证明更高维度不存在的充分条件,它只表明我们关于引力如何与四维空间相互作用的理论需要被修正,或者我们只是需要观测到拥有更多信使的宇宙事件。不过此发现仅过去了3年,引力波就已经帮助了那些科学家们挑战一些关键宇宙学理论。

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