Можно ли найти вход в четвертое пространственное измерение?

Американские астрофизики считают, что, наблюдая изменение параметров двойной системы, состоящей из пульсара и черной дыры, можно найти "вход" в четвертое пространственное измерение. Или, если точнее, измерить радиус кривизны L, считающийся, по модели Рэндалл-Сундрума, его основной характеристикой. Тогда станет ясно, где это измерение искать.

Фото: Фото: AP

Недавно у ученых появилась возможность немножко прикоснуться к четвертому пространственному измерению. Точнее говоря, попробовать хотя бы рассчитать некоторые его параметры. Астрофизики из Виргинского политехнического института и университета штата и Колледжа Нью-Джерси (США) считают, что в этом может помочь наблюдение за двойной системой образованной черной дырой и пульсаром, то есть сильно намагниченной и быстро вращающейся нейтронной звездой.

Напомню, что в привычной для нас картине мира присутствуют три пространственных и одно временное измерение. Однако еще с начала прошлого столетия в науке накопилось много вопросов, которые в этой, весьма привычной для нас картине мира, не решались. Например, было непонятно, почему из всех известных взаимодействий самое ощущаемое нами, а именно: гравитационное, является самым слабым. И где искать частицу, являющуюся ее переносчиком, то есть гравитон (который, кстати, до сих пор не нашли). И почему вещества во Вселенной много, а вот антивещества — днем с огнем не сыскать, хотя, по идее, всего должно быть поровну. Куда же оно делось?

Читайте также: У Вселенной растет четвертое измерение?

Именно эти вопросы теоретической физике, а вовсе не желание спрятаться от надоедливых соседей или стремление, подобно булгаковскому Воланду, превратить обычную квартиру в бальный зал (или, по крайней мере, не только оно), побудило ученых начать поиски иных пространственных измерений. Однако, как это принято у физиков, для того, чтобы хоть как-то понять, что это такое, сначала нужно построить правдоподобную модель. И, следует заметить, кое-каких успехов исследователям здесь достичь удалось.

Согласно популярной ныне теории суперструн, или, как ее еще называют М-теории, всего в мире пространственных измерений существует девять (три обычных и шесть добавочных). Однако эти дополнительные измерения не обнаруживают себя, в силу своей малости (компактификации). Проще говоря, они характеризуются неким масштабом L, естественным выражением которого является промежуток, называемый планковской длиной (она составляет приблизительно 10^-33 см). Чтобы исследовать такой крошечный масштаб длин на ускорителях, необходимо достичь энергии, также сопоставимой с планковской (это примерно 10¹⁹ ГэВ) и примерно в 1016 раз превосходящей возможности Большого адронного коллайдера.

Итак, согласно теории суперструн, дополнительные измерения свернуты в крохотные комочки, поэтому обычными методами их исследовать не удается (а уж о том, чтобы проникнуть туда, можно даже и не мечтать). Более оптимистично настроена альтернативная модель Рэндалл-Сундрума, появившаяся в 1999 году, на рубеже двух столетий. Согласно ей, во Вселенной имеется как бы две "плоскости", одна из которых, называемая браной — это наш мир с тремя пространственными и одним временным измерением. Именно там и "обитают" все известные нам элементарные частицы, которые и обеспечивают основные взаимодействия. Все, кроме гравитонов.

Последние же имеют "прописку" в другой "плоскости", являющейся четвертым измерением. Именно поэтому их то и невозможно обнаружить. Однако переносимое ими взаимодействие, то есть гравитация, является настолько сильным, что "аукается" и на нашей бране.

Фото: AP

Согласно модели Рэндалл-Сундрума, четвертое измерение характеризуется радиусом кривизны L. Под ним подразумевается угол, под которым две эти "плоскости" ориентированы друг относительно друга. Если бы физикам хоть как-то удалось его измерить, тогда они более менее точносмогли быопределить, где находится "вход" в это самое дополнительное измерение, или, проще говоря, где именно его нужно искать.

Однако каким образом это можно сделать? Например, попробовать исследовать феномен увеличения скорости испарения черных дыр за счет излучения Хокинга. Напомню, что таковым излучением считается процесс испускания разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов, черной дырой. Ученые уже пытались использовать этот эффект для оценки L.

Так, в 2009 году сотрудник Аризонского университета Тимоти Йохансен выяснил, что исследование давно известной рентгеновской двойной XTE J1118+480, состоящей из черной дыры и проэволюционировавшей звезды, позволяет установить верхний предел L < 35 мкм. Однако его система расчетов была чрезвычайно сложна, и, по мнению других ученых, от этого достоверность самих расчетов оставляла желать лучшего.

Теперь же астрофизики предложили другой, более легкий способ. Авторы последней работы советуют изучать более "простые" двойные системы, элементы которых — черную дыру и нейтронную звезду — можно представить в виде точечных масс, не обменивающихся веществом. Они считают, что быстрое испарение черной дыры, описываемое в модели Рэндалл-Сундрума, и естественная потеря энергии системой (за счет гравитационного излучения, то есть возмущений гравитационного поля звезды, распространяющихся со скоростью света) будут давать противоположные эффекты. В результате чего звезда и черная дыра будут потихоньку разлетаться. А этот процесс разлета, который объясняется тем, что излучение Хокинга, вызывающее испарение черных дыр, в многомерном мире мощнее, чем в трехмерном — можно зарегистрировать.

Но вернемся к тому противоположному эффекту, который порождается разными излучениями. Итак, в при потере массы черной дырой большая полуось орбиты и орбитальный период системы должны увеличиваться (ведь черная дыра, теряя массу, втягивает в себя все, что находится рядом с ней, уже менее интенсивно, и от этого вращение всей системы замедляется), а при испускании пульсаром гравитационных волн — уменьшаться (ибо гравитационное излучение всегда увеличивает скорость вращения системы). То есть получается весьма забавная картина — один из элементов системы убыстряет ее вращение, а другой — замедляет. Разница между этими двумя противоположными воздействиями и должна показать (не напрямую, конечно) размер того самого радиуса кривизны, за которым физики и охотятся.

К примеру, в двойной системе с орбитальным периодом, равным 7,75 часов, в состав которой входят черная дыра массой в три солнечных и примерно в два раза более легкая нейтронная звезда, скорость роста орбитального периода, обусловленная потерей массы, составит 0,40 мс/год, а гравитационное излучение даст изменение в -0,12 мс/год. Таким образом, величина радиуса кривизны L, прямо влияющая на интенсивность потери массы, здесь принята равной 10 мкм.

Несмотря на то что данная схема является теоретической, данные на, на которых она построена, вполне реальные. Так, значение орбитального периода ученые позаимствовали у двойной системы, в которую входит пульсар PSR B1913+16 и еще одна нейтронная звезда. Регистрируя излучение этого пульсара, обнаруженное в 1974 году, астрономы сумели вычислить скорость изменения орбитального периода, равную -0,076 ± 0,00003 мс/год. А эффект от потери массы черной дырой (те самые 0,40 мс/год) был позаимствован из вышеупомянутых расчетов Йохансена.

Читайте также: Загадочный пульсар виляет хвостом

Все эти измерения достаточно легко проделать при помощи современных приборов, причем с достаточно высокой точностью. Теперь осталось лишь найти подходящую двойную систему, включающую пульсар и черную дыру требуемых параметров. И тогда "вход" в четвертое измерение будет наконец-то обнаружен…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"