宇宙中只存在四維?
2020年06月30日11:10

  1.3億光年之外的中子星相撞事件為我們探索額外的宇宙維度提供了線索。

  6月29日消息,據國外媒體報導,有許多物理理論預測,宇宙中除了我們所熟知的四個維度(三個空間維度和一個時間維度)之外,還有更多維度。如果有了這些額外維度,宇宙中一些最複雜艱深的謎團就很容易解釋了。例如,一些解釋暗物質和暗能量的理論就以宇宙中存在多個“額外”維度為前提,認為這些維度就在我們身邊,只是尺度過小、難以觀察而已。

  而在2017年,宇宙為我們提供了一個絕佳的驗證機會。在1.3億光年之外,兩顆中子星在相撞後合併,產生的引力波如海嘯般席捲了整個宇宙。2017年8月17日,美國的激光干涉引力波天文台(LIGO)和意大利的Virgo天文台監測到了此次引力波。此外,這次事件還形成了千新星,產生了極為明亮的伽馬射線暴,並遺留下了金等重元素。於是,美國和意大利的引力波探測器記錄下了此次形成的時空漣漪,NASA的尼爾·格雷爾斯雨燕天文台等則探測到了電磁輻射。

  此次事件令天體物理學家們激動不已。有史以來頭一次,他們觀察到了來自同一起事件的電磁波和引力波,並可以將兩個信號進行比較、從而做出與宇宙有關的新發現。此次發現不僅讓相關科學家獲得了諾貝爾物理學獎的殊榮,還開啟了“多信使天文學”的新時代。

  自此之後,研究人員便開始利用這一歷史性事件、進一步探索除了已知的四個時空維度之外的維度層次。結果發現,我們的宇宙也許比許多物理理論預測的簡單得多。

  再說回我們剛才提到的暗物質和暗能量之謎。科學家認為,宇宙中的大多數物質都由我們看不見的物質構成。雖然不知道這些物質是什麼,但我們可以感受到它們的引力效應,所以我們知道它們就在那裡。而暗能量就更撲朔迷離了。和暗物質一樣,暗能量名字裡也有個“暗”字,因為我們實在不清楚它究竟為何物。但我們也知道它一定存在,並且宇宙學家相信,暗能量就是宇宙的加速膨脹的背後推手。

  科學家針對暗物質和暗能量提出了許多理論,其中部分理論需要有額外維度的存在才能成立。有趣的是,在探索這些未知的額外維度領域的過程中,我們也許可以對引力波加以利用。

  簡單來說,科學家認為,假如真的存在其它維度的話,當引力波以光速在時空中傳播時,引力波的部分能量便會“泄漏”到這些額外維度中去。因此被引力波天文台監測到時,引力波的振幅應當會小於預期。而一般的電磁輻射(比如伽馬射線暴的光線)並不會與這些額外維度發生相互作用,因此不會變化。從理論上來說,假如存在其它維度的話,只要將2017年探測到的引力波信號與電磁信號相比較,兩者之間便會呈現出一定偏差。

  然而研究顯示,這兩個信號之間並沒有什麼區別,說明光信號和引力波的傳播都僅限於四維時空。這也符合愛因斯坦廣義相對論的預測。不僅如此,該理論還在一個多世紀前預言了引力波的存在。

  這並不意味著額外維度一定不存在,也許說明我們的引力理論需要修改、或者是我們需要測量更多的多信使事件。不過這至少說明,發現引力波僅過了區區幾年,引力波就已經兌現了自己的“諾言”,真的對一些關鍵宇宙理論發起了挑戰。(葉子)

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