# «Ровно ноль»: как гравитационные волны проверили существование скрытых измерений Источник: https://www.youtube.com/watch?v=3HYw6vPR9qU Канал: PBS Space Time Опубликовано: 03.10.2018 --- С открытием гравитационных волн человечество шагнуло в эру астрономии, которая позволяет проверять гипотезы, ранее казавшиеся чистой научной фантастикой. В центре внимания нового выпуска «журнального клуба» PBS Space Time находится исследование, авторы которого попытались определить точное число пространственных измерений нашей Вселенной. Анализ уникального слияния нейтронных звезд позволил ученым наложить строгие ограничения на структуру пространства-времени и дать точный ответ на вопрос о существовании скрытых макроскопических измерений. ## 🌌 Новая эра астрономии: Открытие GW170817 [[JUMP:0:51]] В августе 2017 года астрономы зафиксировали эпохальное событие — слияние двух нейтронных звезд, получившее обозначение GW170817. Сверхплотные остатки умерших светил в своем предсмертном танце всколыхнули саму ткань пространства-времени, породив гравитационные волны, которые были обнаружены обсерваториями LIGO и Virgo. В отличие от слияния черных дыр, которые остаются невидимыми для традиционных телескопов, это событие сопровождалось колоссальным взрывом — килоновой. Спустя всего 1,7 секунды после гравитационного всплеска до Земли долетел поток гамма-излучения. Впоследствии астрономы наблюдали свечение во всех диапазонах электромагнитного спектра и смогли точно определить родительскую галактику этого взрыва. Основные результаты наблюдения за событием GW170817: * Регистрация гравитационных волн: Всплеск зафиксирован детекторами LIGO и Virgo. * Обнаружение гамма-всплеска: Световой сигнал прибыл через 1,7 секунды после гравитационного. * Локализация источника: Астрономы определили родительскую галактику, получив независимый маркер расстояния. Это оптическое отождествление предоставило ученым независимый способ измерения расстояния, которое прошли гравитационные волны, что открыло путь к фундаментальным выводам о природе гравитации. ## 📐 Геометрия вселенной: Как размерность пространства влияет на свет и гравитацию [[JUMP:2:10]] Традиционно люди воспринимают пространство как трехмерное, а добавление времени дает четырехмерное пространство-время (размерность 3+1). Однако введение дополнительных пространственных измерений способно разрешить множество фундаментальных загадок — от аномальной слабости гравитации до природы темной энергии. Чтобы понять, как физика меняется с изменением размерности, ведущий канала предлагает представить импульс света, распространяющийся от далекого источника. В нашем трехмерном пространстве световые лучи равномерно распределяются по поверхности расширяющейся сферической оболочки. Интенсивность света падает обратно пропорционально площади поверхности сферы, то есть квадрату расстояния до источника — это знаменитый закон обратных квадратов. Если бы мы жили в двухмерном мире, тот же импульс распространяющийся по расширяющемуся кругу, убывал бы по интенсивности пропорционально радиусу, а не его квадрату. Общее правило гласит: яркость излучения падает пропорционально расстоянию в степени, равной количеству пространственных измерений минус один. Этот же геометрический принцип применим и к напряженности гравитационного поля. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, в нашей Вселенной сила тяжести убывает по закону обратных квадратов, что подтверждается и общей теорией относительности Эйнштейна, идеально описывающей макромир в рамках трех пространственных измерений. ## 🧊 Проблема слабой гравитации и «браны» теории струн [[JUMP:4:34]] Несмотря на успехи общей теории относительности на больших масштабах, гравитация обладает одной странной особенностью — своей поразительной слабостью по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями. Ведущий подчеркивает, что гравитация примерно в 10³² раз слабее даже слабого ядерного взаимодействия. Мы замечаем гравитацию лишь потому, что её радиус действия бесконечен и она не компенсируется противоположными зарядами, как электромагнетизм. По словам автора, многие физики стремятся найти «Теорию всего», которая объединила бы все силы природы в единое супервзаимодействие. Для этого гравитация должна быть изначально сильной на высоких энергиях, но ослабевать в макромире. Один из способов добиться этого — введение дополнительного пространственного измерения, куда могла бы «утекать» гравитация при условии, что материя и радиация остаются запертыми в трех измерениях. В физических моделях существуют гипотетические объекты — браны, представляющие собой геометрические структуры произвольной размерности, на которых живут квантовые поля и частицы. В теории струн популярна 11-мерная модель, где «лишние» измерения свернуты (компактифицированы) внутри наших трех пространственных измерений. Однако существует и обратный подход: можно представить трехмерную брану (3-брану), вложенную в протяженное пятимерное пространство-время с четырьмя полноценными пространственными измерениями. В такой модели вся привычная материя и излучение заперты на 3-бране, а гравитация способна распространяться во всех четырех пространственных измерениях, что и объясняет её фундаментальную слабость в макромире. ## 🕊️ Как гравитационные волны ищут скрытые измерения [[JUMP:7:28]] Гипотеза протяженного четвертого пространственного измерения способна объяснить еще один феномен — темную энергию, ответственную за ускоренное расширение Вселенной. На макромасштабах гравитация может быть завязана на 3-брану, подчиняясь закону обратных квадратов, но на космологических расстояниях она начинает подчиняться закону обратных кубов. Сама 3-брана может расширяться в дополнительное четвертое пространственное измерение, что для земного наблюдателя выглядит как действие темной энергии. Для проверки этой теории идеально подходят гравитационные волны. Если гравитационное поле способно проникать в скрытые измерения, то гравитационные волны должны терять энергию, рассеиваясь в этом гиперпространстве по мере своего путешествия. В обычном трехмерном пространстве интенсивность гравитационных волн падает пропорционально просто расстоянию, а не его квадрату. Если бы измерений было больше, интенсивность падала бы значительно быстрее. Таким образом, для экспериментальной проверки ученым требовалось реализовать следующий алгоритм: 1. Зафиксировать гравитационную волну с помощью интерферометров. 2. Независимо измерить точное расстояние до источника через электромагнитный сигнал. 3. Сопоставить потерю интенсивности волны с теоретическими расчетами трехмерной Вселенной. Благодаря сети детекторов LIGO и Virgo, а также событию GW170817, ученые получили все необходимые данные. Начальную интенсивность волны физики научились вычислять по массам сливающихся объектов и частоте самой волны. ## 🚫 Вердикт эксперимента: Сколько измерений мы нашли? [[JUMP:10:31]] В статье ученых Пардо, Фишбаха, Хольца и Спергеля был озвучен однозначный вывод: эксперимент обнаружил ровно ноль дополнительных макроскопических измерений. Гравитационная волна потеряла именно то количество интенсивности, которое предсказывалось для стандартного четырехмерного пространства-времени. Никакой утечки гравитации в скрытые пространственные измерения зафиксировано не было. По мнению автора, этот результат практически полностью исключает утечку гравитации как объяснение природы темной энергии. Тем не менее, струнные теоретики могут не беспокоиться, поскольку эксперимент не исключает существование микроскопических, свернутых измерений. Сравнение времени прибытия электромагнитного и гравитационного сигналов также подтвердило, что гравитация движется со скоростью света, что наложило жесткие ограничения на альтернативные теории относительности. Ведущий подчеркивает, что хотя отсутствие новых измерений может показаться разочаровывающим «нулевым результатом», это колоссальный шаг вперед, сужающий поле теоретических моделей и приближающий нас к истине. ## 💬 Ответы на вопросы: Квантовая гравитация и перенормировка [[JUMP:12:15]] В традиционной рубрике ответов на вопросы зрителей ведущий разобрал несколько сложных физических концепций. Обсуждая проблемы построения теории квантовой гравитации, автор отметил, что существуют два противоположных подхода. С одной стороны, «Теории всего» (включая теорию струн) пытаются квантовать гравитацию в тех же рамках, что и остальные три силы природы. С другой стороны, альтернативные концепции, такие как петлевая квантовая гравитация, трактуют гравитацию принципиально иначе, приводя к дискретной, фрагментированной структуре самого пространства-времени на планковских масштабах. Также был поднят вопрос о сути перенормировки в квантовой теории поля. При расчете взаимодействий возникают бесконечные математические циклы из-за эффектов обратной связи. Перенормировка позволяет сбросить эти масштабы до конечных значений, опираясь на реальные физические измерения. Однако для простейших моделей квантовой гравитации требуется бесконечное число таких измерений, что делает её неперенормируемой. В завершение выпуска ведущий в шутливой форме упомянул дискуссии пользователей в комментариях и напомнил о важности остроумия и упорства для всех любителей науки.