Американские физики уточнили размерность пространства-времени, сравнив расстояние до источника, рассчитанное по затуханию гравитационных волн и по красному смещению электромагнитного излучения. Ученые выполнили такие расчеты для события GW170817 и выяснили, что размерность нашего пространства-времени примерно равна D ≈ 4,0 ± 0,1. Кроме того, они установили нижнюю границу на время жизни гравитона, которая составила около 450 миллионов лет. Препринт статьи доступен на сайте arXiv.org.
Общая теория относительности и Стандартная модель построены в предположении, что мы живем в четырехмерном пространстве-времени. Точнее, в (3+1)-мерном: три пространственных измерения и одно временное. Однако ученые склонны сомневаться в самых элементарных утверждениях. Может быть, размерность нашего пространства-времени не в точности равна четырем, а просто очень близка к этому значению? Действительно, существуют теории, в которых наше пространство-время вложено в более высокоразмерные пространства. Поэтому четырехмерность нашего мира нужно доказывать, а не принимать на веру.
Группа физиков под руководством Криса Пардо установила точные ограничения на размерность нашего пространства-времени, анализируя событие GW170817 — практически одновременно пришедшие на Землю гравитационные и электромагнитные волны, излученные во время слияния двух нейтронных звезд. Расстояние до источника волн можно определить по красному смещению электромагнитной компоненты, а также по затуханию гравитационных волн. Очевидно, что оба этих расстояния должны совпасть, что накладывает ограничения на отличие скорости затухания от скорости, предсказанной ОТО.
Стоит отметить, что дополнительную погрешность в расстояние, определенное по красному смещению, вносит тот факт, что значения постоянной Хаббла, измеренные по скорости разбегания галактик и по флуктуациям реликтового излучения, не совпадают. Ученые в этой статье выполнили расчеты для обоих значений, однако погрешность экспериментальных данных все равно перевешивала эту погрешность.
В Общей теории относительности напряженность гравитационных волн спадает обратно пропорционально расстояния от источника: h ~ 1/r. Однако в теориях с большим количеством измерений этот закон модифицируется, и затухание происходит быстрее: h ~ 1/r<γ>, где γ = (D − 2)/2, а D — количество измерений. Получается, что энергия волны как будто «утекает» в дополнительные измерения. Вычисляя «электромагнитное» и «гравитационное» расстояние до нейтронных звезд, физики определили, что степень зависимости γ ≈ 1,00 ± 0,03, то есть размерность нашего пространства D ≈ 4,0 ± 0,1.
С другой стороны, в еще одном типе альтернативных теорий гравитация экранируется — на маленьких расстояниях она ведет себя так же, как в четырехмерной теории, а на больших напоминает D-мерную. Учитывая ограничения события GW170817, физики определили минимальный радиус экранирования таких теорий — он составил около двадцати мегапарсек, в то время как источник волн находится в галактике NGC 4993 на расстоянии около сорока мегапарсек.
Дополнительное затухание гравитационных волн также может возникнуть из-за того, что гравитоны являются нестабильными частицами и распадаются за время путешествия от источника до детектора. Физики вычислили нижнее ограничение на время жизни гравитона, которое не может быть меньше 4,5×108 лет. Одновременная регистрация гравитационной и электромагнитной компоненты оказала значительное влияние на альтернативные теории гравитации.
В частности, в конце декабря прошлого года в Physical Review Letters одновременно вышло четыре статьи, посвященные событию GW170817 и ограничениям на различные квантовые теории гравитации. Данное событие также устанавливает жесткие ограничения на скорость гравитации — теперь отношение скорости гравитации к скорости света может отличаться от единицы не больше, чем на 3×10−15.