Naukowcy z Instytutu Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka doszli do wniosku, że fale grawitacyjne muszą nosić odcisk dodatkowych wymiarów przestrzeni przewidywanych przez teorię strun.
XX wiek dał światu dwie wielkie teorie fizyczne - ogólną teorię względności (GR) i mechanikę kwantową. Pierwsza dotyczy przestrzeni, czasu i grawitacji. Na przykład wyjaśnia, dlaczego zegary na powierzchni Ziemi będą działać nieco wolniej niż na orbicie. Takie cechy należy wziąć pod uwagę przy tworzeniu systemów GPS i GLONASS. Ogólna teoria względności dotyczy także czarnych dziur i innych interesujących rzeczy.
Mechanika kwantowa to nauka o zachowaniu się najmniejszych składników materii, takich jak elektrony. Stało się podstawą całej nowoczesnej elektroniki, która dała nam komputery, telefony komórkowe i ogólnie wszystko, co jest mądrzejsze od żarówki.
Te dwie teorie mają niefortunną wadę: są ze sobą niezgodne. Jeśli zastosujemy je do tego samego obiektu, to ogólna teoria względności mówi jedno, a mechanika kwantowa mówi co innego, a sprzeczności nie da się w żaden sposób wyeliminować. W praktyce nie jest to aż tak istotne, ponieważ efekty ogólnej teorii względności są zauważalne tylko dla bardzo masywnych ciał (planety, gwiazdy, czarne dziury), a efekty kwantowe - dla bardzo małych (cząstki elementarne). Ale fizycy od dawna martwili się niezgodnością dwóch największych teorii fizycznych naszych czasów. Z tego powodu naukowcy szukają bardziej kompletnej teorii, która „pogodzi” mechanikę kwantową z ogólną teorią względności, a także opisała mikro- i makrokosmos za pomocą jednolitych praw.
Najbardziej znanym kandydatem do tej roli jest teoria strun. To naprawdę pokazuje, jak można wyeliminować tę sprzeczność i połączyć obie teorie. Ma jednak swoją wadę: w przeciwieństwie do ogólnej teorii względności i samej mechaniki kwantowej uparcie przeciwstawia się weryfikacji eksperymentalnej. Fizycy żartują gorzko, że przetestowaliby teorię strun, gdyby mieli akcelerator wielkości galaktyki.
Jak odkryli David Andriot i Gustavo Lucena Gómez z Niemieckiego Instytutu Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka, taka gigantyczna maszyna może nie być potrzebna. Potwierdzenie teorii strun można uzyskać obserwując fale grawitacyjne - niesamowite zjawisko od dawna przewidywane przez teoretyków, ale odkryte eksperymentalnie dopiero w 2015 roku.
Przypomnijmy, że niektóre imponujące procesy, na przykład zderzenia czarnych dziur, zaburzają pole grawitacyjne i wzdłuż niego biegną fale. Z tego powodu wszystkie obiekty złapane przez falę grawitacyjną z czasem zaczynają się z nią lekko kołysać. Te fluktuacje są zbyt małe, aby można je było dostrzec gołym okiem. Ponadto w zwykłym życiu są całkowicie blokowane przez wibracje pochodzące od samochodu jadącego po ulicy lub szafki poruszanej przez sąsiada. Ale specjalnie stworzone do tych celów bardzo czułe detektory, ukryte głęboko pod ziemią i wyjątkowo chronione przed wszelkimi obcymi wibracjami, mogą wychwycić falę grawitacyjną, która wydarzyła się po raz pierwszy dwa lata temu.
Ale, jak się okazuje, są w stanie dać nie tylko ten wynik. Według ustaleń Andrio i Gomeza obserwacja fal grawitacyjnych może wspierać teorię strun. Faktem jest, że zgodnie z tą teorią przestrzeń wcale nie jest trójwymiarowa - jest dziewięciowymiarowa. Nie zauważamy sześciu dodatkowych wymiarów, ponieważ są one za małe. Lustro wydaje się więc gładkie, choć warto przyjrzeć się jego powierzchni przez mikroskop, a zobaczymy na nim całe „pasma górskie” i „wąwozy”.
Film promocyjny:
Fale grawitacyjne, jak pokazują autorzy nowej pracy, muszą „odczuwać” te dodatkowe wymiary. Jeśli są obecne w falach grawitacyjnych, powinien pojawić się specjalny rytm, który nazywają „trybem oddychania”. Jeśli „oddychanie” zostanie wykryte przez detektory, będzie to pierwsze eksperymentalne potwierdzenie teorii strun. W dodatku powinien pojawić się zbiór sygnałów o wysokiej częstotliwości, podobny do kilku nagłych, wysokich dźwięków - rodzaj „krzyków” lub „pisków”, które dodatkowe wymiary zwiastują o sobie.
Jak zauważają autorzy opracowania, parze detektorów LIGO brakuje czułości pozwalającej na wykrycie „trybu oddychania”. Jednak we Włoszech trzeci detektor, VIRGO, jest obecnie modernizowany. Zacznie działać na pełnych obrotach w 2018 roku, a wtedy być może zostanie zarejestrowane „oddychanie” fal grawitacyjnych. Jeśli chodzi o drugi znak dodatkowych pomiarów - sygnałów o wysokiej częstotliwości - ich obserwacja niestety wymaga stworzenia nowego detektora, ponieważ istniejące urządzenia są przeznaczone do badania sygnałów o niskiej częstotliwości, a nie o wysokiej częstotliwości.
Artykuł naukowy zawierający wyniki badań został opublikowany w Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.