Учёные
из Института гравитационной физики Макса Планка пришли к выводу, что
гравитационные волны должны нести на себе отпечаток дополнительных
измерений пространства, предсказанных теорией струн.
XX век подарил миру две великие физические теории – общую теорию
относительности (ОТО) и квантовую механику. Первая занимается
пространством, временем и гравитацией. Например, она объясняет, почему
на поверхности Земли часы будут идти чуть-чуть медленнее, чем на орбите.
Такие особенности приходится учитывать при создании систем GPS и
ГЛОНАСС. Ещё общая теория относительности занимается чёрными дырами и
прочими интересными вещами.
Квантовая механика – это наука о поведении мельчайших составляющих
вещества, например, электронов. Она стала основой для всей современной
электроники, подарившей нам компьютеры, мобильные телефоны и вообще всё,
что умнее лампочки.
Эти две теории имеют досадный недостаток: они несовместимы друг с
другом. Если применить их к одному и тому же объекту, то ОТО говорит
одно, а квантовая механика – другое, и противоречие никак не удается
устранить. Это не так важно на практике, потому что эффекты ОТО заметны
только для очень массивных тел (планеты, звёзды, чёрные дыры), а
квантовые эффекты – для очень маленьких (элементарные частицы). Но
физиков давно беспокоит несовместимость двух величайших физических
теорий современности. По этой причине учёные ищут более полную теорию,
которая "помирит” квантовую механику и ОТО, а также будет едиными
законами описывать микро- и макромир.
Самый известный кандидат на эту роль – теория струн.
Она действительно показывает, как можно устранить противоречие и
объединить две теории. Но у неё есть свой недостаток: в отличие от самих
ОТО и квантовой механики она упорно не поддается экспериментальной
проверке. Физики горько шутят, что проверили бы теорию струн, если бы у
них был ускоритель размером с Галактику.
Как выяснили Дэвид Андрио (David Andriot) и Густаво Лусена Гомес (Gustavo Lucena Gómez)
из немецкого Института гравитационной физики Макса Планка, столь
гигантский агрегат всё же может не понадобиться. Подтверждение теории
струн можно будет получить, наблюдая гравитационные волны – удивительное явление, давно предсказанное теоретиками, но экспериментально обнаруженное только в 2015 году.
Напомним, что некоторые грандиозные процессы, например, столкновения
чёрных дыр, возмущают поле тяготения, и по нему бегут волны. От этого
все объекты, попавшие в гравитационную волну, начинают чуть-чуть
покачиваться с ней в такт. Эти колебания слишком малы, чтобы заметить их
невооружённым глазом. К тому же в обычной жизни они напрочь
перекрываются вибрацией от проехавшего по улице автомобиля или
передвинутого соседом шкафа. Но специально созданные для этих целей
очень чувствительные детекторы, спрятанные глубоко под землей и
предельно защищенные от всех посторонних вибраций, могут уловить
гравитационную волну, что впервые и произошло два года назад.
Но, как выясняется, они способны дать не только этот результат.
Согласно выводам Андрио и Гомеса, наблюдение гравитационных волн может
подтвердить правоту теории струн. Дело в том, что, согласно этой теории,
пространство вовсе не трёхмерно – оно девятимерно. Мы не замечаем шести
дополнительных измерений, потому что они слишком малы. Так, зеркало
кажется нам гладким, хотя стоит посмотреть на его поверхность через
микроскоп, и мы увидим на ней целые "горные хребты” и "ущелья”.
Гравитационные же волны, как показывают авторы новой работы, должны
"чувствовать” эти дополнительные измерения. В случае их наличия в
гравитационных волнах должен появиться особый ритм, который они называют
"модой дыхания”. Если "дыхание” будет обнаружено детекторами, то это и
будет первым экспериментальным подтверждением теории струн. Кроме того,
должен появиться набор высокочастотных сигналов, подобный нескольким
внезапным высоким звукам – своеобразным "вскрикам” или "пискам”,
которыми возвестят о себе дополнительные измерения.
Как отмечают авторы исследования, у пары детекторов LIGO не хватает
чувствительности, чтобы обнаружить "моду дыхания”. Но в Италии сейчас
проходит модернизацию третий детектор – VIRGO.
На полную мощность он заработает в 2018 году, и тогда, может быть,
"дыхание” гравитационных волн удастся зафиксировать. Что до второго
признака дополнительных измерений – высокочастотных сигналов – их
наблюдение, увы, требует создания нового детектора, так как существующие приборы предназначены для изучения низкочастотных, а не высокочастотных сигналов.
Научная статья с результатами исследования вышла в издании Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
