Охота за дополнительными измерениями пространства долгое время оставалась прерогативой научной фантастики, однако развитие гравитационно-волновой астрономии превратило эту смелую концепцию в проверяемую научную гипотезу. В новом выпуске программы PBS Space Time ведущий анализирует революционную научную работу, авторы которой смогли экспериментально измерить число измерений нашей Вселенной. Использование уникальных данных от слияния нейтронных звёзд позволило физикам получить точный ответ на вопрос о том, куда уходит сила гравитации и существуют ли скрытые параллельные миры.
🌌 Эра гравитационно-волновой астрономии и событие GW170817 0:00
Новая эра гравитационно-волновой астрономии стремительно открывает новые окна во Вселенную и позволяет разгадывать тайны, которые ранее казались недосягаемыми. Как отмечает ведущий, физики уже начали делать определенные заявления о гипотезах, которые прежде считались принципиально непроверяемыми. Ключевым прорывом в этой области стало исследование, описанное в научной работе «Limits on the number of space-time dimensions from GW170817», авторами которой выступили ученые Пардо, Фишбах, Хольц и Спергель.
В основе этого исторического открытия лежит уникальное гравитационно-волновое событие, зафиксированное учеными в августе 2017 года под кодом GW170817. В этот момент две сверхплотные нейтронные звезды — остатки мертвых светил — столкнулись и слились в единый объект, в своем предсмертном танце всколыхнув саму ткань пространства и времени. Эти колебания были успешно зарегистрированы гравитационными обсерваториями LIGO и Virgo.
В отличие от слияния черных дыр, которые остаются абсолютно невидимыми для традиционных телескопов, столкновение нейтронных звезд сопровождается колоссальным и зрелищным взрывом — килоновой. Этот катаклизм сначала зафиксировали в виде гравитационных волн, а затем — в виде мощного всплеска гамма-излучения, которое опоздало всего на 1.7 секунды. За этой вспышкой последовало остаточное свечение по всему электромагнитному спектру, что позволило астрономам точно определить далекую галактику, в которой произошла катастрофа. Именно эта независимая оптическая идентификация дала ученым точнейший инструмент для измерения расстояния, пройденного гравитационными волнами, и позволила сделать фундаментальные выводы о мерности нашего пространства.
📐 Геометрия пространства: закон обратных квадратов 2:10
Для обывателя пространство кажется очевидно трехмерным, а добавление времени как четвертого измерения дает привычную физикам модель «3+1». Тем не менее, гипотетическое введение дополнительных пространственных измерений способно объяснить множество загадок — от природы тёмной энергии до причин колоссальной слабости гравитации. Чтобы понять, как именно ученые ищут скрытые измерения, необходимо проанализировать, как свет, материя и гравитация ведут себя в стандартной четырехмерной Вселенной.
Представьте себе единичный импульс света, исходящий от далекого космического источника. Световые лучи равномерно распределяются по поверхности расширяющейся сферической оболочки. Когда мы смотрим на этот импульс в телескоп, яркость объекта определяется количеством лучей, которые нам удалось перехватить. По мере расширения сферы световые лучи рассеиваются, и интенсивность света падает пропорционально площади поверхности этой сферы. Поскольку площадь сферы пропорциональна квадрату её радиуса, яркость убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника — это знаменитый закон обратных квадратов.
Если бы мы жили в двухмерном пространстве, тот же световой импульс расширялся бы не в виде сферы, а в виде окружности. В такой геометрии интенсивность света падала бы пропорционально длине окружности, то есть была бы обратно пропорциональна просто расстоянию, а не расстоянию в квадрате. В общем виде физический закон гласит, что интенсивность угасания импульса привязана к числу измерений пространства и падает пропорционально формуле:
$$\frac{1}{r^{d-1}}$$
где $d$ — количество пространственных измерений. Таким образом, в гипотетическом пятимерном пространстве-времени яркость должна падать гораздо быстрее, чем в трехмерном. Этот же геометрический принцип применим и к силе гравитационного поля: закон всемирного тяготения Ньютона и общая теория относительности Эйнштейна безупречно описывают Вселенную в крупных масштабах, опираясь именно на три пространственных измерения.
🧱 Проблема иерархии и многомерные браны 4:34
Несмотря на триумф общей теории относительности, гравитация обладает одной крайне причудливой и необъяснимой особенностью — своей поразительной, почти «патетической» слабостью по сравнению с остальными тремя фундаментальными силами природы. В то время как электромагнитное, сильное и слабое ядерные взаимодействия находятся примерно в одном диапазоне мощностей, гравитация оказывается в $10^{32}$ раз слабее даже слабого ядерного взаимодействия. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни лишь потому, что её радиус действия бесконечен, и она, в отличие от электромагнетизма, не компенсируется противоположными зарядами.
Физиков-теоретиков столь драматический макроскопический дисбаланс сил откровенно расстраивает, ведь они стремятся создать «Теорию всего», способную объединить все взаимодействия в одну универсальную суперсилу. Это означает, что при сверхвысоких энергиях гравитация должна быть такой же прочной, как и остальные силы, но затем резко ослабевать в масштабах привычной нам низкоэнергетической Вселенной. Одним из самых изящных способов решить эту проблему стало предположение, что гравитация на самом деле «утекает» в скрытые дополнительные измерения.
Для визуализации этой идеи физики используют концепцию «бран» — геометрических структур произвольной мерности, на которых могут существовать квантовые поля и элементарные частицы. В классической теории струн популярна модель 11-мерного пространства, где все лишние пространственные измерения свернуты (компактифицированы) до субмикроскопических размеров внутри наших трех измерений.
Однако ученые могут перевернуть эту концепцию и представить себе трехмерную брану (так называемую 3-брану), погруженную в масштабное макроскопическое пространство-время с четырьмя протяженными пространственными измерениями. В рамках этой гипотезы вся привычная нам материя, излучение и фундаментальные силы (кроме гравитации) намертво заперты внутри нашей 3-браны. Гравитация же, будучи геометрическим свойством самого пространства-времени, способна свободно распространяться во всех четырех пространственных измерениях. На малых расстояниях она подчиняется привычным законам, но на больших масштабах рассеивается в дополнительном объеме, что и объясняет её аномальную слабость для земного наблюдателя.
🌌 Альтернатива тёмной энергии 7:28
Гипотеза макроскопических дополнительных измерений способна элегантно разрешить и другую фундаментальную загадку космологии — природу тёмной энергии. Астрономические наблюдения показывают, что расширение нашей Вселенной происходит с постоянным ускорением. Общепринятая модель связывает это с действием энергии квантового вакуума, однако четырехмерное пространство предлагает принципиально иной механизм.
Если определенным образом настроить параметры теоретической модели, то на масштабах Солнечной системы и отдельных галактик гравитация будет оставаться сильно связанной с нашей 3-браной, демонстрируя привычный закон обратных квадратов. Однако на колоссальных межгалактических расстояниях гравитационное поле начнет неизбежно просачиваться в четвертое пространственное измерение, переходя на закон обратных кубов.
В таком сценарии сама наша 3-брана, определяющая границы наблюдаемой Вселенной, начинает физически расширяться в это внешнее четвертое пространственное измерение. Для человека и земных приборов этот масштабный многомерный процесс будет выглядеть в точности как загадочное ускоряющееся расширение космоса, которое мы привыкли списывать на невидимую тёмную энергию.
🔬 Результаты эксперимента: сколько измерений обнаружили учёные? 8:34
Проверить эту фантастическую гипотезу помогли именно гравитационные волны. Если гравитационное поле способно распространяться во внешнем скрытом измерении, то гравитационные волны должны неизбежно терять свою энергию и интенсивность по мере продвижения сквозь космос. В стандартном трехмерном пространстве интенсивность гравитационной волны падает пропорционально просто расстоянию до источника (в отличие от света, где интенсивность падает пропорционально квадрату расстояния). Но если у пространства есть четыре или более измерений, интенсивность гравитационных волн обязана затухать значительно быстрее.
Для проведения этого эксперимента ученым требовалось выполнить два ключевых условия:
- Зарегистрировать саму гравитационную волну детекторами.
- Независимо измерить точное расстояние до её источника.
Благодаря детекторам LIGO, Virgo и уникальному событию GW170817 наука получила обе эти составляющие. Электромагнитный сигнал от взрыва нейтронных звезд позволил точно рассчитать пройденный свет путь. Исходную же интенсивность волны на момент её зарождения ученые вычислили, проанализировав массы слившихся объектов и частоту самой гравитационной волны.
Итоговый вердикт исследователей оказался бескомпромиссным: во Вселенной обнаружено ровно ноль дополнительных пространственных измерений. Гравитационная волна потеряла ровно столько интенсивности, сколько строго предписывает классическое пространство-время размерности 3+1. Никакой утечки гравитации в высшие измерения зафиксировано не было, что фактически закрывает гипотезу макроскопических бран как объяснение природы тёмной энергии.
Тем не менее, физикам-струнщикам пока рано отчаиваться: данный эксперимент не опровергает существование микроскопических свернутых измерений, которые недосягаемы для подобных макро-тестов. Кроме того, одновременное прибытие света и гравитационных волн доказало, что гравитация перемещается строго со скоростью света, что отсекло множество альтернативных теорий относительности. Как подчеркивает ведущий, даже этот нулевой результат умопомрачителен, поскольку он радикально сужает простор для умозрительных теоретических моделей и приближает науку к пониманию истинной структуры мироздания.
💬 Заседания «Журнального клуба»: квантовая гравитация и перенормировка 12:15
Во второй части программы ведущий традиционно разобрал вопросы аудитории, коснувшись фундаментального конфликта современной науки — непримиримого противоречия между общей теорией относительности Эйнштейна и квантовой механикой. Развитие теории квантовой гравитации сегодня движется в двух противоположных направлениях:
- Сторонники «Теории всего» (включая теорию струн) пытаются квантовать гравитацию, помещая её в те же рамки, что и остальные три силы.
- Другие подходы, такие как петлевая квантовая гравитация, трактуют силу тяготения принципиально иначе, предполагая дискретность ткани пространства на малых масштабах.
Главная проблема состоит в том, что если пространство-время остается непрерывным и бесконечно делимым на микроуровне, математические уравнения заходят в тупик и порождают неустранимые физические противоречия.
Отдельный глубокий разбор коснулся концепции перенормировки в квантовой физике. При попытках рассчитать взаимодействия внутри квантовых полей с помощью теории возмущений возникают эффекты обратной связи, порождающие бесконечные петли взаимодействий. Проще говоря, последовательные математические поправки приводят уравнения к абсурдным бесконечным результатам.
Метод перенормировки позволяет вернуть расчеты к конечным величинам, искусственно «сбрасывая» масштаб и привязывая формулы к конкретным измеримым физическим параметрам системы. Однако данный математический трюк работает исключительно тогда, когда число необходимых базовых измерений конечно. Базовые же модели квантовой гравитации требуют бесконечного количества предварительных физических измерений, что делает эту теорию фундаментально неперенормируемой.
Эта сложная тема вызвала нешуточные высокоуровневые баталии среди подписчиков в комментариях, которые ведущий с иронией отметил, пошутив, что спорящим авторам пора «снять номер», чтобы наконец разобраться в математических тонкостях лицом к лицу. В финальном блице программы были также затронуты гипотезы о существовании виртуальных черных дыр планковской длины, парадоксы удаления квантовой информации при падении в черную дыру и вечная шутливая борьба зрителей за право быть упомянутыми в эфире благодаря своему остроумию.
