Kodėl gravitacija tokia silpna? Stulbinanti hipotezė: dalis jos nuteka į papildomus matmenis

Paslėpti matmenys gali kelti tikrovės raibuliavimą, darydamos įtaką gravitacinėms bangoms – o tokių papildomų dimensijų užfiksavimas galėtų padėti išspręsti kai kurias didžiausias visatos mįsles.

Fizikai seniai suka galvas, kodėl gravitacija tokia silpna, lyginant su kitomis fundamentaliosiomis sąveikomis. Taip gali būti dėl to, kad dalis jos nuteka į papildomus matmenis, šalia mums įprastų trijų erdvės dimensijų.

Kai kurioms teorijoms, kuriomis siekiama paaiškinti gravitacijos ir kvantinių efektų sąveiką, tarp kurių ir stygų teorija, reikia papildomų matmenų, per kuriuos sklinda gravitacija. Tad, tokių egzotiškų matmenų atradimas galėtų padėti aprašyti gravitaciją, ar padėtų apjungti ją su kvantine mechanika – be to, galėtų padėti išsiaiškinti spartėjantį visatos plėtimąsi.

„Jie plėstų ar trauktų erdvėlaikį taip, kaip standartinės gravitacinės bangos niekada nedaro”

Bet papildomus matmenis aptikti nelengva. Bet kokie egzistuojantys papildomi matmenys turėtų būti labai maži, – priešingu atveju regėtume jų pasireiškimus kasdieniame gyvenime. Buvo labai tikimasi (ir vis dar tebesitikima) kad jos pasirodys LHC, tačiau kol kas neregėti jokių ženklų fizikos už mūsų keturių matmenų ribų.

Tačiau per pastaruosius porą metų gimė nauja viltis. 2015 metais pirmą kartą užfiksuotos gravitacinės bangos, erdvėlaikio raibuliai, sukelti masyvių objektų judėjimo. Kadangi gravitacija tikriausiai veikia visuose egzistuojančiuose matmenyse, jos bangos teikia itin daug vilčių aptikti šalia mums įprastų egzistuojančius matmenis.

„Jei visatoje yra papildomų matmenų, tada gravitacija gali sklisti per visus matmenis, netgi per papildomus,“ sako Gustavo Lucena Gómez išMaxo Plancko Gravitacijos fizikos instituto Potsdame, Vokietijoje.

Lucena Gómez ir jo kolega Davidas Andriotas apskaičiavo, kaip stipriai papildomi matmenys paveiktų gravitacines bangas, kurias galime stebėti. Jie išsiaiškino du įdomius efektus: papildomas aukšto dažnio bangas ir pakitusį gravitacinių bangų tempiamos erdvės pobūdį.

Komanda išsiaiškino, kad per papildomus mažus matmenis sklindančios gravitacinės bangos turėtų kurti papildomų aukšto dažnio gravitacinių bangų „bokštą“, paklūstantį standartinio pasiskirstymo dėsniui.

Bet dabartiniais stebėjimais tokio aukšto dažnio bangų aptikti neįmanoma, o dauguma suplanuotų observatorijų irgi bus skirtos žemesniems dažniams. Tad, nors šių bangų gali būti pilna, jas aptikti lengva nebus.

Antrąjį papildomų matmenų efektą aptikti gali būti lengviau, kadangi jis keičia „normalias“, mūsų stebimas gravitacines bangas, o ne kuria papildomą signalą.

„Jei mūsų visatoje yra papildomų matmenų, jie turėtų tempti ar spausti erdvėlaikį kitaip, kaip standartinės gravitacinės bangos niekada nedaro,“ sako Lucena Gómez.

Pr visatą sklisdamos gravitacinės bangos erdvę ištempia ir suspaudžia labai charakteringai. Tai primena guminės juostos tempimą: iš juostos suformuota elipsė tempiama ilgėja viena kryptimi ir trumpėja kita, o paleista atgauna pradinę formą.

Bet papildomi matmenys gravitacinėms bangoms suteikia dar vieną erdvės formos kitimo būdą, vadinamąją kvėpavimo veikseną. Kaip kvėpuojant plaučiai, taip gravitacinėms bangoms sklindant, erdvė ne tik išsitempia ir susispaudžia, bet ir išsiplečia bei susitraukia.

„Su daugiau detektorių galėsime išsiaiškinti, ar vyksta ši kvėpavimo veiksena,“ sako Lucena Gómez.

„Apie papildomus matmenis ilgai diskutuota iš įvairių perspektyvų,“ sako Emilian Dudas iš École Polytechnique Prancūzijoje. „Gravitacinės bangos gali tapti nauju posūkiu papildomų dimensijų paieškos kelyje.“

Tačiau šis būdas kompromisinis: jei aukšto dažnio gravitacinių bangų bokštas praktiškai vienareikšmiškai liudytų papildomus matmenis, kvėpavimo veikseną paaiškina nemažai ir kitų nestandartinių gravitacijos teorijų.

„Tai veikiausiai nebūtų unikalus bruožas,“ sako Dudas. „Bet vis viena labai jaudinantis dalykas.“

Leah Crane

newscientist.com