Бунецкий Дмитрий
Екатерина Степаненко
редактор Если верить открытым источникам, 14 сентября 2015-го года был обычный день. В Египте расстреляли туристов. У берегов Греции утонули сирийские мигранты. Хасиды в Умани отмечали Новый год. В Польше искали поезд с золотом нацистов. Естественно, никто, кроме двух 4-километровых труб-детекторов и ученых из международного проекта LIGO Scientific Collaboration, следящих за ними, и не заметил, что всех нас слегка растянуло и сплющило. Но и они промолчали – аж до 11 февраля 2016-го года. И лишь тогда сознались: ура, земляне, мы поймали гравитационные волны! Эйнштейн был прав (по "счастливому совпадению" прав он был ровно сто лет назад и это, конечно же, совпадение, а не тяга людей к круглым датам – Авт.)! Вместе с учеными порадовались и все остальное население планеты, не особо, впрочем, понимая, в чем здесь радость. Просто так – за компанию. Поэтому мы решили объяснить, что такое гравитационные волны, почему это Открытие Века и как оно повлияет на нашу дальнейшую жизнь.
ТЕОРИЯ: ЭЙНШТЕЙН УЛУЧШАЕТ НЬЮТОНА
Вначале был Ньютон, и сказал он, что тела притягиваются друг к другу. Делают они это пропорционально массе и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Если проще: чем больше масса, тем больше гравитация, но чем дальше предмет, тем она меньше. Триста лет с этим не было никаких проблем, но в начале ХХ века они резко возникли (справедливости ради скажем, что в начале ХХ века проблемы возникли не только у гравитации, но и у всей физики, химии и даже математики — одна квантовая механика чего стоит).
Проблему гравитации звали Альберт Эйнштейн. Он объединил пространство и время в единый пространственно-временной (и потому четырехмерный, потому что к ширине, высоте, длине прибавилась еще и временная протяженность) континуум. Построил на этом базисе целую специальную теорию относительности. А затем заявил, что вся эта штука еще и кривая благодаря той самой гравитации. И подарил современному миру общую теорию относительности (ОТО), способную ввести в ступор большинство населения планеты ныне, присно и во веки веков благодаря огромнейшему объему вычислений и формул, применимых даже для незначительных расчетов.
Всю теорию мы учить не будем. Остановимся лишь на гравитации. Согласно Эйнштейну, "тензор энергии-импульса", который мы с вами называем попросту "масса", искривляет и гнет пространство-время вокруг себя. То есть Земля не притягивает к себе падающий на него метеорит, он, представьте себе, летит прямо. Но вот само пространство-время кривое, поэтому прямая линия, по которой движется космический камень, искривляется и упирается в поверхность планеты.
Нам с вами это без разницы. Потому что притяжение это или искривление, в нашем уютненьком мирке значения не имеет. Ньютоновская теория отлично справляется с пушками-самолетами-полетами на Марс и за его пределы.
Но там, далеко-далеко, начинается настоящая магия. Теория относительности Эйнштейна по количеству предсказанных чудес (в смысле не чудес, а научных истин, с которыми население планеты пока не сталкивалось в полном объеме, и вероятно, это к лучшему) может сравниться со всей фэнтези-литературой планеты. Конечно, орков в космосе мы не увидим (может, и увидим, но Эйнштейн тут ни при чем). Зато разнообразные эффекты в полях мощного тяготения реально существуют. Как, к примеру, в фильме "Интерстеллар", где на планете, вращающейся вокруг черной дыры, час длился семь лет. Да и сами черные дыры долгое время были всего лишь забавным математическим приколом, следствием решения формул Эйнштейна. А теперь они реально доказанный факт.
Кроме того, теория относительности предсказала, что вращающаяся масса увлекает пространство за собой, словно воронка огромного водоворота. Соответственно, наш метеорит упадет не строго вниз, а чуть-чуть сместившись. Эффект, учитывая миниатюрные размеры Земли, мизерный, но данное отклонение уже зафиксировали. Как и эффект гравитационного линзирования (когда свет "считает", что летит по прямой, но в реальности эта прямая искривлена гравитацией, из-за чего луч вьется горной дорогой). Кроме этого, были доказаны и другие следствия ОТО: прецессия вращающихся планетарных систем (изменение направления земной оси) и гравитационное красное смещение (вблизи от массивных тел свет краснее).
В общем, "предсказания" Эйнштейна в области гравитации сбылись. Оставалась лишь одна деталь, которая позволила бы закончить пазл и сказать: все, общая теория относительности — это чистая правда. Собственно, сами гравитационные волны, которые уже сто лет как по всем расчетам должны быть, но никак не находились.
Остается лишь один вопрос: что это за волна такая? Тут все просто. Волна — это такая штука, которая появляется, когда что-то движется с ускорением. Представьте себе ванну. Если вы бросите в воду поплавок и подергаете его, пойдет волна на поверхности воды. Если вода будет горячей и вы обожжетесь в процессе, начнете кричать и получите звук, то есть акустическую волну. Подергав заряженную частицу, получите электромагнитную волну. Ну и так далее.
Гравиволна изменяет геометрию пространства- времени.
С гравитационными волнами все немного сложнее. Гравитация — это искривление пространства. Соответственно, волны гравитации изменяют геометрию пространства. То есть если человек окажется вблизи (желательно, все-таки подальше) от источника этих волн (к примеру, рядом со взрывающейся сверхновой звездой) и спасется от радиации и прочего убийственного излучения благодаря Супермегакостюму от взрыва сверхновых (ТМ), он начнет вытягиваться вверх-вниз и сжиматься по бокам, поймав "горб волны", и сжиматься вверх-вниз и растягиваться в стороны от ее "впадины". При этом защититься от несущейся со скоростью света гравиволны невозможно (попробуйте закрыться от притяжения Земли бронежилетом).
То есть гравитационная волна растягивает и сжимает само пространство-время, а все предметы, за счет их упругости, сопротивляются, испытывая, вероятно, не самые приятные ощущения.
БУМ ИЗ-ЗА ОБМАНА И "ГРАВИЦАПА" В КИЕВЕ
Помните, мы дергали поплавок в ванной, обжигались и кричали? При этих всех дерганьях вы и сами двигаетесь. Поэтому (если вы не голограмма и обладаете массой) создаете еще и гравитационные волны. Проблема лишь в том, что они настолько слабые, что ни один детектор из ныне существующих их не обнаружит. Насколько слабые? В десять додециллионов (десять миллиардов миллиардов миллиардов триллионов) слабее электромагнитного воздействия между частицами. Поэтому, чтобы обнаружить гравитационную волну, нужно не рукой с поплавком дергать, а чем-то помассивнее. К примеру, черной дырой, пульсаром или описанной выше сверхновой звездой.
Но и в этом случае детектор должен быть неслабым.
Искать гравитационные волны начали с 60-х годов прошлого века, когда стало понятно (после пары-тройки экспериментальных подтверждений), что эйнштейновские формулы — это реально работающее описание нашей Вселенной.
Первую гравитационную антенну построил в 60-х американский ученый Джозеф Вебер. Это была алюминиевая балка длиной в пару метров, помещенная в вакуум и оснащенная пьезодатчиками. Принцип Вебер уловил правильно: если гравиволна искривляет пространство, то она, проходя через эту балку, чуть-чуть изменит ее размер, а датчики это зафиксируют. К сожалению для него, размер реально имеет значение. Поэтому, естественно, ничего Вебер не поймал, хотя и заявил обратное. Впрочем, к чести ученого, его обман пошел науке только на пользу — пресса об этом сообщила, и наступил "гравитационный бум".
Неведомые гравиволны искали все. Включая киевских физиков, которые построили свою "гравицапу" (наконец-то это слово можно применить без страха и вполне оправданно) в подвалах Института теоретической физики в Феофании. И все заканчивалось все теми же нулевыми результатами.
Параллельно с этим, в 1974 году, физики Рассел Халс и Джозеф Тейлор, проводя наблюдения на телескопе в Аресибо, открыли двойной пульсар. Но лишь в 1991 году измерения сокращающейся орбиты этой пары звезд дали подтверждение общей теории относительности. Тогда же ученые поняли, что эта система может излучать гравитационные волны. Теоретически, потому что на практике ловить эти самые волны было нечем — детекторы все еще были далеки от совершенства. Но Халс и Тейлор свою Нобелевскую премию по физике получили. В 1993 году. С формулировкой "за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации".
А в 1992 году Кип Торн (тот самый, который инструктировал Нолана и благодаря которому "Интерстеллар" получился научно-фантастическим, а не просто фантастическим), Рональд Дривер и Райнер Вайс предложили создать LIGO. Расшифровывается это как "лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория" и сейчас считается самым амбициозным проектом Национального научного фонда США, пожирая немыслимые 365 млн долларов в год (что неудивительно, учитывая размеры структуры — 40 институтов занимаются анализом данных).
Проект состоит из двух обсерваторий, в Ливингстоне (Луизиана) и Хэнфорде (Вашингтон), удаленных друг от друга на 3002 километра. Расстояние важно, поскольку скорость гравиволн равна скорости света, это расстояние дает разницу в 10 миллисекунд, которая позволяет определить направление на источник сигнала.
Основной элемент каждой обсерватории — Г-образная "галочка", состоящая из двух четырехкилометровых (не пара метров Вебера) плеч с вакуумом внутри. Внутри системы установлены интерферометры, которые и измеряют колебания.
LIGO заработала в 2002 году, а уже в 2015-м (поверьте, для подобных установок это не настолько большой срок) полностью оправдала возложенные на нее надежды, зафиксировав гравитационные волны.
Как уже писалось выше, гравиволны очень слабы, поэтому дергать надо что-то массивное. К счастью, Вселенная подсуетилась и около 1,3 миллиарда лет назад столкнула друг с другом две черные дыры массами около 30 солнечных. Эти колебания из "далекой-далекой Галактики" пронеслись через пространство-время и были "пойманы" на Земле.
ЧТО ДАЛЬШЕ: КАК ОТРАЗИТСЯ НА ЖИЗНИ
И вот тут возникает главный вопрос. Ну и что с этого? Ответ на него вам не понравится. Ну и ничего. В смысле для теоретической физики — это огромнейший прорыв. Как и для экспериментальной. Подобные установки уже строятся по всему миру — как минимум две заработают в ближайшее время в Италии и Японии. Ну, потому что открытие — это еще не все. Важно подтверждение, чем и занимаются все ученые, изучающие гравитацию.
Пожалуй, основной момент открытия гравитационных волн заключается в том, что общая теория относительности, как некий свод описания правил Вселенной, ныне подтвержден окончательно. А это — базис, с которым можно работать. Если гравиволны существуют, значит, и остальные следствия тоже работают. В частности, и непреодолимый барьер скорости света, из-за которого человечество может остаться в Солнечной системе до конца дней своих. И более экзотические вещи вроде моста Эйнштейна — Подольского — Розена, которые, по сути, есть не что иное, как управляемые червоточины, которые могут подарить нам (при наличии пары-тройки философских камней современной науки вроде экзотической материи) путь к звездам. В общем, всегда приятно, когда твои взгляды на мир верны.
Но есть и другие бонусы. Так, к примеру, человечество впервые в истории получило способ подобраться к изучению черных дыр. Ведь, до открытия гравиволн, они были недосягаемы и исследовались некими косвенными методами. А черные дыры, как известно — одна из самых больших загадок Вселенной (учитывая, что никто и представить не может, что там внутри них происходит).
Кроме того, в силу своей физической природы, гравитационные волны позволяют изучить Большой взрыв, ведь его отголоски, так называемые "реликтовые гравиволны", носятся по космосу до сих пор.
Вообще, список того, что хочет получить от нового открытия теоретическая физика, очень большой. Вполне возможно, этот инструментарий позволит познакомиться с загадочными "темной материей" и "темной энергией". Но все это — в будущем.
Что касается "земного", практического применения, то его нет. Мы не можем использовать гравитационные волны в качестве источника энергии, не можем пользоваться ими, как транспортом. Это связано с тем, что сама природа волны до сих пор не до конца раскрыта. Да, это движущееся искривление пространства-времени, но почему оно искривляется? Будут ли открыты те самые полумифические частицы гравитации — гравитоны? Если будут и если есть способ их обуздать — человечество получит описанную в тысячах научно-фантастических трудов антигравитацию.
Пока же все это — фундаментальная физика. С другой стороны, в начале XIX века Майкл Фарадей, изучая электромагнетизм и создав первый в мире электродвигатель, тоже не мог найти ему применение и предлагал "показывать это за деньги", а сейчас они окружают нас повсюду. Кто знает, может, и при нашей жизни мы будем гонять на гравикарах и перемещать огромные грузы одним щелчком пальцев.
Читайте также:
Главные темы