Гравитационные волны помогут "услышать" новые измерения

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.