Мир в ореховой скорлупке - [42]

Однако недавние исследования образования галактик склонили космологов к убеждению, что значительная часть темной материи должна отличаться от обычного вещества. Возможно, она складывается из огромного числа очень легких частиц, например аксионов или нейтрино. Она может также состоять из более экзотических слабо взаимодействующих массивных частиц WIMP (weakly interacting massive particles), существование которых предсказывают современные теории элементарных частиц, но которые еще никогда не регистрировались экспериментально.

Недостающая масса может быть связана с какими-то экзотическими для нашего мира видами частиц, например это могут быть WIMP (weakly interacting massive particles — слабо взаимодействующие массивные частицы) иди аксоны (очень легкие элементарные частицы). Но также возможно, что недостающая масса указывает на существование теневого мира и вещества в нем. Быть может, там есть и теневые человеческие существа, озадаченные массой, которая кажется отсутствующей в их мире, но влияет на орбиты теневых звезд вокруг центра теневой галактики (рис. 7.13).

Рис 7.13

Мы не увидим теневой галактики на теневой бране, поскольку свет не проходит через дополнительные измерения. Но тяготение проходит, и потому вращение нашей Галактики должно испытывать воздействие темной материи, увидеть которую мы не можем.

Вместо того чтобы заканчиваться на второй бране, дополнительные измерения могут быть бесконечными, но с сильным седлообразным искривлением (рис. 7.14).

Рис. 7.14

В модели Рандалл — Сандрама есть только одна брана (представленная здесь лишь одним своим измерением). Дополнительные измерения тянутся до бесконечности, но искривлены как седло. Эта кривизна мешает гравитационному полю вещества на бране распространяться далеко в дополнительные измерения.

Лиза Рандалл и Раман Сандрам показали, что этот тип кривизны дает эффект, очень похожий на тот, что обусловливает присутствие второй браны: гравитационное влияние объекта на бране будет ограничено небольшой окрестностью и не распространится до бесконечности в дополнительных измерениях. Как и в модели с теневой браной, на больших расстояниях гравитационное поле будет спадать как раз с той скоростью, которая нужна, чтобы объяснить планетные орбиты и лабораторные измерения, но на коротких расстояниях тяготение будет меняться значительно быстрее.

Однако между моделью Рандалл — Сандрама и моделью теневой браны есть важное различие. Тела, которые движутся под воздействием тяготения, порождают гравитационные волны, колебания кривизны, которые распространяются по пространству-времени со скоростью света. Подобно световым электромагнитным волнам, гравитационные волны должны нести энергию, это предсказание подтвердилось наблюдениями двойного пульсара PSR1913+16.

Двойные пульсары

Общая теория относительности предсказывает, что массивные тела, движущиеся под воздействием тяготения, испускают гравитационные волны. Они, подобно световым волнам, уносят энергию объектов, которые их испускают. Правда, обычно потеря энергии идет крайне медленно и ее трудно заметить. Например, испускание гравитационных волн заставляет Землю медленно по спирали двигаться к Солнцу, но для того, чтобы упасть, ей понадобится 1027лет.

Однако в 1975 г. Рассел Халс и Джозеф Тейлор открыли двойной пульсар PSR1913+16, систему из двух компактных нейтронных звезд, которые при обращении удаляются друг от друга не больше чем на один радиус Солнца. Согласно общей теории относительности быстрое движение означает, что орбитальный период этой системы должен сокращаться в гораздо меньшем масштабе времени благодаря испусканию сильного гравитационно-волнового сигнала. Предсказания общей теории относительности получили великолепное подтверждение в наблюдениях Халса и Тейлора. Они измерили, что с 1975 г. период обращения сократился более чем на 10 с. В 1993 г. им была присуждена Нобелевская премия за это подтверждение общей теории относительности.

Если мы действительно живем на бране в пространстве с дополнительными измерениями, гравитационные волны, возникающие при движении тел на бране, должны уходить в другие измерения. Если есть вторая, теневая, брана, гравитационные волны будут отражаться назад и оставаться между двумя бранами. С другой стороны, при наличии только одной браны и уходящих на бесконечность измерений, как в модели Рандалл — Сандрама, гравитационные волны могут исчезать и уносить энергию из мира на нашей бране (рис. 7.15).

Рис. 7.15

В модели Рандалл — Сандрама короткие гравитационные волны могут уносить энергию от источников на бране, вызывая кажущееся нарушение закона сохранения энергии.

Это, похоже, должно противоречить одному из фундаментальных физических принципов — закону сохранения энергии, гласящему, что общее количество энергии остается неизменным. Но подобные процессы будут казаться нарушением лишь потому, что видимые нам явления ограничены браной. Ангел, способный видеть дополнительные измерения, знал бы, что энергия остается неизменной и просто растекается в стороны.

Гравитационные волны, порождаемые двумя звездами, которые обращаются одна вокруг другой, имеют длину волны много больше радиуса седловидной кривизны дополнительных измерений. Это означает, что такие волны будут, подобно силе тяготения, удерживаться в ближайших окрестностях браны, они не будут далеко распространяться в дополнительные измерения или уносить с браны значительное количество энергии. В то же время гравитационные волны с длиной короче масштаба искривления дополнительных измерений легко ускользнут из окрестностей браны.