Куда утекает гравитация: чем закончились поиски четвёртого измерения
Гравитация кажется мощной силой — она удерживает планеты на орбитах и заставляет предметы падать на землю. Однако в масштабах элементарных частиц она исчезающе мала. Разница в силе между электромагнитным взаимодействием и гравитацией составляет гигантскую величину — 32 порядка. Эта загадка, известная как «проблема иерархии», заставляет физиков выдвигать гипотезы, похожие на научную фантастику, — разобрали одну из таких популярных теорий.
Теория бран
В конце 1990-х физики предложили смелую идею: трёхмерный мир — это всего лишь тонкая плёнка, или брана (от слова «мембрана»). Эта плёнка плавает в огромном многомерном пространстве, которое называют «балка».
Всё, из чего состоят все объекты в известной нам Вселенной, — атомы, свет, электроны — намертво приклеено к этой плёнке. Представьте себе липкую ленту для мух, висящую посреди комнаты. Люди и весь окружающий мир — это мухи, прилипшие к ленте. По ней можно ползать вдоль и поперёк, но нельзя оторваться и вылететь в комнату.
Согласно теории струн материя — это крошечные вибрирующие нити. У частиц, из которых состоит обычная (не тёмная) материя, эти нити разорваны, и их концы «припаяны» к бране. Именно поэтому согласно теории бран свет или радиоволны не могут уйти в другие измерения — они привязаны к нашему миру.
Иллюстрация того, как открытые нити привязаны к одной или двумя бранам
С гравитацией всё иначе. Физики полагают, что она состоит из особых частиц — гравитонов. Они похожи не на обрывки нитей, а на замкнутые кольца. У кольца нет концов, которыми можно зацепиться за брану. Поэтому гравитация не привязана к конкретному месту: она может свободно путешествовать по всему многомерному объёму — вылетать с «липкой ленты» в «комнату» и возвращаться обратно.
Это объясняет, почему гравитация кажется такой слабой. Всё потому, что люди ощущают лишь ту малую часть её силы, которая в данный момент проходит сквозь брану. Остальная мощь распыляется в скрытых измерениях. Если бы учёные могли посмотреть на гравитацию очень близко — на расстоянии меньше миллиметра, — то, возможно, они могли бы увидеть, как она «утекает», и обнаружили бы, что на самом деле она такая же мощная, как магнитное притяжение. По крайней мере так предполагает теория бран.
Как один забытый эксперимент чуть не перевернул мир физики
Эксперимент Эдельбергера
Чтобы проверить эту фантастическую теорию, учёным не нужен гигантский коллайдер. Им нужно проверить закон Ньютона с ювелирной точностью. Гравитация зависит от расстояния — чем дальше предметы друг от друга, тем слабее они притягиваются. Если расстояние увеличить в два раза, сила упадёт в четыре раза.
Но если теория бран верна, то на минимальных дистанциях этот закон должен сломаться. Гравитация должна резко усилиться, потому что на таком коротком отрезке она ещё не успевает «рассеяться» в другие измерения.
Сечение многообразия Калаби — Яу. Предположительно, такую форму имеют дополнительные измерения
Искать это отклонение взялась группа Eot-Wash из Вашингтонского университета под руководством Эрика Эдельбергера. Они построили прибор, который можно назвать самыми чувствительными весами в мире, — крутильные весы.
Крутильные весы
Главный инструмент поиска — высокочувствительные крутильные весы. Это не те весы, которые стоят в магазине. Устройство представляет собой маятник, подвешенный на вольфрамовой нити диаметром всего 20 микрометров. Для сравнения: человеческий волос в несколько раз толще. Работает это так:
- Под маятником (детектором) вращается диск (аттрактор) с отверстиями.
- При вращении отверстия создают переменную гравитационную силу.
- Если гравитация ведёт себя по Ньютону, маятник чуть-чуть поворачивается на предсказанный угол.
- Если же на микромасштабе включаются скрытые измерения, маятник должен отклониться сильнее обычного.
Положение маятника отслеживает лазерный луч, который отражается от зеркала на установке. Система способна заметить поворот на миллиардные доли градуса.
Борьба с шумом
Поймать гравитацию на таком уровне — всё равно что пытаться услышать шёпот человека на рок-концерте. Гравитация невероятно слаба. Обычный магнит на холодильнике побеждает гравитацию всей планеты Земля, удерживая скрепку. А в эксперименте нужно измерить притяжение между двумя маленькими пластинками.
Главный враг — электростатика. Даже крошечная разница напряжений между дисками создаёт силу, которая в миллионы раз мощнее гравитации. Чтобы убрать этот эффект, учёные проложили между дисками тончайшую позолоченную плёнку толщиной 10 микрометров. Она работает как экран, блокируя электрические поля, но пропуская гравитацию.
Схема эксперимента Эдельбергера
Мешают и вибрации. Чувствительность прибора такова, что он может реагировать на проезжающие на улице грузовики и даже приливные силы от движения Луны. Чтобы получить чистые данные, исследователи учитывают всё: от сейсмической активности до наклона почвы из-за дождя. Установка стоит на массивных плитах в глубоком вакууме, чтобы исключить даже малейшее дуновение воздуха.
За закрытой дверью
Группа Eot-Wash занимается этими поисками уже более 20 лет, постоянно уменьшая зазор между пластинами.
В 2020 году физики опубликовали результаты самого точного на момент публикации измерения. Им удалось сблизить диски на расстояние 52 микрометра. Это невероятно близко, но даже тут гравитация продолжала вести себя строго по закону Ньютона. Никакой «утечки» обнаружено не было.
Эти данные позволили установить жёсткое ограничение. Если скрытые измерения и существуют, они должны быть свернуты в трубочки радиусом не более 38,6 микрометра.
Что это значит для науки
Хотя «дверь» в четвёртое измерение пока не найдена, отрицательный результат в науке тоже важен. Работа группы Eot-Wash фактически закрыла вопрос о существовании «крупных» дополнительных измерений, на которые надеялись многие теоретики в конце 90-х.
Кроме того, масштаб в 85 микрометров важен для понимания тёмной энергии. Тот факт, что закон Ньютона устоял на дистанциях меньше этого порога, отсекает многие теории, пытавшиеся объяснить расширение Вселенной через геометрические эффекты.
А технологии, созданные для этих весов, помогают в других областях — от детекторов гравитационных волн до квантовых вычислений. Поиск продолжается, и учёные готовят новые эксперименты, чтобы заглянуть ещё глубже в ткань пространства-времени.