Гравитационные волны Эйнштейна

0
66

Гравитационные волны, об открытии которых объявили в начале 2016 года, ровно через 100 лет после того, как они были предсказаны Эйнштейном, обещают нам свежий взгляд на Вселенную

Оба кубика из сплава золота с платиной весом 1,96 килограмма каждый висят в пустоте на высоте в 1,5 миллиона километров над Землей. Вместе с ними в космос пришлось отправить еще почти две тонны вспомогательной техники: она позволила кубикам достигнуть самого совершенного состояния невесомости, какое только возможно. Кубики ни с чем не соприкасаются, и только лазерный луч проверяет, что расстояние между ними составляет неизменные 38 сантиметров.

Гравитационные волны в фотопроекте Маркуса Рейгельса

Кубики — главный полезный груз аппарата LISA Pathfinder, который запустило в декабре 2015 года Европейское космиче­ское агентство. Обычно мало кто может без запинки сказать, где сейчас тот или иной космиче­ский аппарат, будь то «Вояджеры» или МКС, и уверенно ткнуть пальцем в нужную точку неба, но в случае с LISA Pathfinder это проще простого. Если вы отыскали на небе Солнце, то задача решена. Космиче­ский аппарат — исчезающе маленькая черная точка на его фоне (которую, конечно, не разглядеть ни в один телескоп: все-таки до конструкции размером с автомобиль в четыре раза дальше, чем до Луны, и в 3750 раз дальше, чем до МКС). Место прописки LISA Pathfinder — специальная точка на прямой, соединяющей Землю и Солнце, где силы притяжения двух небесных тел в точности уравновешивают друг друга. Астрономы называют ее «точкой Лагранжа L1».

Слово Pathfinder в названии (с англий­ского «тот, кто прокладывает путь») означает, что опыты с кубиками на самом деле только репетиция по-настоящему крупного космического эксперимента, запланированного, если ничего не сорвется, на 2034 год. Физики надеются создать и развернуть в космосе самый большой в мире научный прибор: лазерный интерферометр LISA в форме треугольника, каждая сторона которого имеет длину в миллион километров. Его название расшифровывается так: LI — это лазерный интерферометр, SA — космическая антенна.

Зачем ученым такой размах? Чтобы ловить самые необычные волны: гравитационные волны Эйнштейна. Когда теорию относительности Эйнштейна пробуют доступно объяснить за полчаса, обычно эти объяснения сводятся к той ее части, которую он придумал в 1905 году в 26-летнем возрасте. Идея, что пространство и время — две стороны одной медали; утверждение, что ничего не движется быстрее скорости света; наконец, знаменитая формула E=mc2 — это все 1905 год, первый подход к снаряду.

Общая теория относительности, самая важная для современной физики, появилась на свет только через десять лет: 25 ноября 1915 года Эйнштейн выступил перед Прусской академией наук с докладом о своих новых уравнениях, описывающих искривленное пространство-время. На следующий год он стал выяснять, какие необычные эффекты из этих уравнений следуют. Летом 1916-го гравитационные волны и были впервые названы по имени — пока еще как чисто умозрительная возможность.

Выписать уравнения — полдела, надо еще попробовать их решить. В отличие от тех уравнений, которые дают на контрольной в седьмом классе, решений у физических уравнений вроде эйнштейновских бывает бесконечно много. И все они могут описывать реальные явления, непохожие друг на друга.

Зато там, где волны рождаются — в окрестностях двойных черных дыр или нейтронных звезд, гравитация буквально завязывает пространство-время в узлы, как более привычные нам силы сопротивления воздуха и упругости превращают капли воды из идеальных шариков в мгновенные скульптуры невероятной формы

Например, ток в розетке и свет в окне — разные решения одних и тех же уравнений Максвелла для электромагнитного поля, выведенных в середине XIX века. Электрический ток — это движение зарядов под действием силы в металле, а свет — волны, которые распространяются в пустоте, и между ними на первый взгляд не может быть ничего общего.

До Максвелла для физиков было обычным делом заводить на каждый случай по формуле: одну для тока в прямом проводе и одну для тока в катушке. Отдельно для магнитной подковы и отдельно для отклонения стрелки компаса. К 1862 году 31-летний шотландец Джеймс Клерк Максвелл свел все разнообразие электрических и магнитных явлений к четырем универсальным уравнениям. Причем уравнения эти не только единообразно описывали новые явления, но и подсказывали, что из частностей ученые проглядели. Самым громким предсказанием были электромагнитные волны, и изобретение радио с рентгеном было следствием чисто теоретических предсказаний Максвелла.

Эйнштейн, для которого пример Максвелла был очевидным источником вдохновения, решил попробовать поискать нечто похожее на волны среди решений своих уравнений. И первая же попытка обернулась целым букетом математических противоречий: волн было целых три вида, и два из них в отличие от электромагнитных волн никакую энергию не переносили. Эйнштейн и другие теоретики устранят эти противоречия позже. Но кое-что стало ясно сразу: если такие волны существуют, то это складки пространства-времени, которые распространяются со скоростью света. Там, где они проходят, пространство расширяется и сжимается, как желе, когда его толкнут ложкой.

Электромагнитные волны излучают восковые свечи (когда горят), солнце и Останкинская телебашня (когда вещает). А откуда берутся гравитационные волны? Чтобы по ткани пространства-времени побежали складки, сначала в том месте, откуда они побежали, нечто должно изогнуть эту ткань своей массой. Естественнее всего искать такие события не на Земле, а в космосе, где водятся сверхплотные небесные тела: нейтронные звезды и черные дыры.

Первые намеки на излучение гравитационных волн обнаружили американские астрофизики Джозеф Тейлор и Рассел Халс в 1974 году, когда при помощи 305-метрового радиотелескопа-тарелки в пуэрториканском Аресибо открыли двойной радиопульсар PSR B1913 16. Это две нейтронные звезды из сверхплотной материи (каждая имеет всего около 20 километров в диаметре, но при этом в 1,4 раза тяжелее Солнца), которые вальсируют вокруг общего центра масс и постепенно сближаются друг с другом по спирали. Нетрудно предсказать, что в конце концов они столкнутся.

Из серии «Галактики света» — для создания этой композиции фотограф использовал центрифугу

Между тем весь опыт, накопленный прежней астрономией, свидетельствовал о том, что такого быть не должно по тем же причинам, по которым Луна не падает на Землю. Классическая небесная механика предсказывает планетам и их спутникам замкнутые орбиты в форме эллипсов: это следует, в частности, из закона сохранения энергии. А движение двух нейтронных звезд по спирали в системе PSR B1913 16 прямо указывает на то, что избыток гравитационной энергии куда-то девается. Единственное возможное объяснение: эта энергия излучается в виде гравитационных волн. Это было первым и главным до февраля 2016 года свидетельством в пользу того, что гравитационные волны все-таки существуют. За такое косвенное доказательство правоты Эйнштейна Тейлору и Халсу присудили в 1993 году Нобелевскую премию по физике.

Что случилось в феврале 2016-го? Косвенные доказательства сменились прямыми. Прямое доказательство — это взять и зафиксировать на Земле прохождение волны, которая встряхивает пространство, как желе. Слово «встряхивает» подразумевает, что пространство сжимается и расширяется: расстояния между предметами становятся то длиннее, то короче. Но какой линейкой можно замерить этот эффект, если она тоже сжимается и расширяется вместе с пространством?

Лучшая линейка в такой ситуации — луч света. Согласно все той же теории относительности, скорость света постоянна в любых условиях. Достаточно сконструировать что-то вроде лазерного дальномера и следить за временем прохождения лазерного луча между двумя массивными предметами. Но еще проще использовать не один лазерный дальномер, а два, расположенные под прямым углом друг к другу. С таким комплектом удобно регистрировать случаи, когда под воздействием волны расстояния вдоль одного направления вырастут, а вдоль другого нет.

Дело в том, что гравитационные волны поперечные: они сжимают и растягивают пространство только в двух направлениях из трех возможных, поэтому с ними можно провернуть такой прием. Приборы на основе принципа двух лазерных дальномеров физики называют интерферометрами.

Идею искать гравитационные волны с помощью интерферометра первыми предложили в 1962 году советские физики Владислав Пустовойт (сейчас он академик и заведующий кафедрой в МГТУ им. Баумана) и Михаил Герценштейн. А в конце 1980-х группа американских физиков, загоревшихся этой идеей и придумавших, как ее воплотить, убедила правительство выделить деньги на строительство двух гигантских интерферометров в Хэнфорде, штат Вашингтон, и в Ливингстоне, штат Луизиана.

Размерами оба интерферометра не сильно уступают Большому адронному коллайдеру: каждый — это два четырехкилометровых бетонных туннеля, соединенных под прямым углом. В них спрятана пара герметичных стальных труб. Внутри труб под­де­р­живается давление не выше одной триллионной атмосферы. По десяти тысячам кубометров высокого вакуума курсирует туда и обратно луч 200-ваттного лазера (мощность типичной лазерной указки в тысячу раз меньше), который на входе расщепляет на две части полупрозрачное зеркало. В каждом туннеле луч пробегает дистанцию между двумя 40-килограммовыми болванками из сверхчистого кварцевого стекла, которые играют ту же роль «пробных масс», что и кубики на борту LISA Pathfinder. Если любая из болванок сдвинется со своей позиции хотя бы на малую долю диаметра одного атомного ядра, это немедленно заметят датчики в той точке, где лазерные лучи снова сходятся.

Такой чувствительный прибор способен заметить вообще любое дрожание земли. «По сути это гигантский сейсмограф», — честно признаются ученые, когда объясняют прин­цип его действия на сайте проекта. Но лишняя чувствительность скорее вредна, чем полезна. Физики перечисляют события, на которые «гигантский сейсмограф» в прин­ципе способен среагировать. За сотню километров волна обрушилась на берег океана. В соседнем штате пошел дождь. Ученый сел на велосипед и поехал на работу — даже такое событие слегка сотрясает почву. Чтобы сделать интерферометры невосприимчивыми к земным шумам, пришлось приложить невероятные усилия. Болванки, подвешенные на нитях из оптоволокна, сделали последним звеном в сложной четырехъярусной системе маятников, которая гасит всевозможные колебания, не связанные со сжатием и расширением пространства.

А идею искать гравитационные волны с помощью интерферометра первыми предложили в 1962 году советские физики Владислав Пустовойт (сейчас он академик и заведующий кафедрой в МГТУ им. Баумана) и Михаил Герценштейн

Проект называется LIGO — именно эта аббревиатура недавно попала во все мировые газеты. 14 сентября 2015 года здесь зарегистрировали сигнал, похожий на прохождение гравитационной волны. Новость долго держали в секрете, и только 11 февраля 2016 года после всех проверок ученые официально объявили: явление, которое они наблюдали, действительно гравитационная волна, а ее источник — слияние двух черных дыр, которое случилось 1,3 миллиарда световых лет назад на другом краю Вселенной. Астрофизики утверждают: в момент слияния, а оно началось и закончилось за доли секунды, выделилось в 50 раз больше энергии, чем произвели за то же время все звезды космоса.

Сохраненный приборами след гравитационной волны, то есть график сжатий и растяжений пространства, ученые конвертировали в звукозапись. Ее можно послушать на сайте проекта LIGO: невероятной силы взрыв, заставивший весь космос сотрястись, звучит на удивление безобидно — в английском комментарии этот звук называют «чириканье».

Гравитационная волна задокументирована и изучена: физики доказали, что Эйнштейн был прав. Авторы проекта LIGO Кип Торн, Райнер Вайс и Рональд Дривер получат Нобелевскую премию по физике если не этой осенью, то следующей.

Источник: www.geo.ru

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Войти с помощью: