Бунецький Дмитро
Катерина Степаненко
редактор Якщо вірити відкритим джерелам 14 вересня 2015 року був звичайний день. У Єгипті розстріляли туристів. Біля берегів Греції потонули сирійські мігранти. Хасиди в Умані відзначали Новий рік. У Польщі шукали потяг з золотом нацистів. Природно, ніхто, крім двох 4-кілометрових труб-детекторів і вчених з міжнародного проекту LIGO Scientific Collaboration, що стежать за ними, і не помітив, що всіх нас злегка розтягнуло і сплюснуло. Але і вони промовчали – аж до 11 лютого 2016 року. І лише тоді зізналися: ура, земляни, ми зловили гравітаційні хвилі! Ейнштейн був правий (за "щасливим збігом" правий він був рівно сто років тому і це, звичайно ж, збіг, а не тяга людей до круглих дат – Авт.)! Разом з вченими пораділо і все інше населення планети, не особливо, втім, розуміючи, в чому тут радість. Просто так – за компанію. Тому ми вирішили пояснити, що таке гравітаційні хвилі, чому це Відкриття Століття і як воно вплине на наше подальше життя.
ТЕОРІЯ: ЕЙНШТЕЙН ПОЛІПШУЄ НЬЮТОНА
Спочатку був Ньютон, і сказав він, що тіла притягуються одне до одного. Роблять вони це пропорційно масі і обернено пропорційно квадрату відстані між ними. Якщо простіше: чим більша маса, тим більша гравітація, але чим далі предмет, тим вона менше. Триста років з цим не було жодних проблем, але на початку ХХ століття вони різко виникли (справедливості заради скажемо, що на початку ХХ століття проблеми виникли не тільки у гравітації, а й у всієї фізики, хімії і навіть математики – одна квантова механіка чого варта).
Проблему гравітації звали Альберт Ейнштейн. Він об'єднав простір і час в єдиний просторово-часовий (і тому чотиривимірний, тому що до ширини, висоти, довжини додалася ще й тимчасова протяжність) континуум. Побудував на цьому базисі цілу спеціальну теорію відносності. А потім заявив, що вся ця штука ще й крива завдяки тій самій гравітації. І подарував сучасному світу загальну теорію відносності (ЗТВ), здатну ввести в ступор більшість населення планети нині, повсякчас і на віки віків завдяки величезному обсягу обчислень і формул, які можна застосувати навіть для незначних розрахунків.
Всю теорію ми вчити не будемо. Зупинимося лише на гравітації. Згідно Ейнштейну, "тензор енергії-імпульсу", який ми з вами називаємо просто "маса", викривляє і згинає простір-час навколо себе. Тобто Земля не притягує до себе падаючий на нього метеорит, він, уявіть собі, летить прямо. Але ось сам простір-час кривий, тому пряма лінія, по якій рухається космічний камінь, викривляється і впирається в поверхню планети.
Нам з вами це без різниці. Тому що тяжіння це чи викривлення, в нашому затишному маленькому світі значення не має. Ньютоновська теорія відмінно справляється з гарматами-літаками-польотами на Марс і за його межі.
Але там, далеко-далеко, починається справжня магія. Теорія відносності Ейнштейна за кількістю передбачених чудес (в сенсі не чудес, а наукових істин, з якими населення планети поки не стикалося в повному обсязі, і ймовірно, це на краще) може зрівнятися з усією фентезі-літературою планети. Звичайно, орків в космосі ми не побачимо (може, і побачимо, але Ейнштейн тут ні при чому). Зате різноманітні ефекти в полях потужного тяжіння реально існують. Як, наприклад, у фільмі "Інтерстеллар", де на планеті, що обертається навколо чорної діри, година тривала сім років. Та й самі чорні діри довгий час були всього лише забавним математичним приколом, наслідком рішення формул Ейнштейна. А тепер вони реально доведений факт.
Крім того, теорія відносності передбачила, що маса, що обертається, захоплює простір за собою, немов воронка величезного виру. Відповідно, наш метеорит впаде не строго вниз, а трохи змістившись. Ефект, враховуючи мініатюрні розміри Землі, мізерний, але дане відхилення вже зафіксували. Як і ефект гравітаційного лінзування (коли світло "вважає", що летить по прямій, але в реальності ця пряма викривлена гравітацією, через що промінь в'ється гірською дорогою). Крім цього, були доведені і інші слідства ЗТВ: прецесія обертових планетарних систем (зміна напрямку земної осі) і гравітаційне червоне зміщення (поблизу від масивних тіл світло червоніше).
Загалом, "передбачення" Ейнштейна в області гравітації збулися. Залишалася лише одна деталь, яка дозволила б закінчити пазл і сказати: все, загальна теорія відносності – це чиста правда. Власне, самі гравітаційні хвилі, які вже сто років як за всіма розрахунками повинні бути, але ніяк не знаходились.
Залишається лише одне питання: що це за хвиля така? Тут все просто. Хвиля – це така штука, яка з'являється, коли щось рухається з прискоренням. Уявіть собі ванну. Якщо ви кинете у воду поплавок і посмикаєте його, піде хвиля на поверхні води. Якщо вода буде гарячою і ви обпалитеся в процесі, почнете кричати і отримаєте звук, тобто акустичну хвилю. Посмикавши заряджену частинку, отримаєте електромагнітну хвилю. Ну і так далі.
Гравіхвиля змінює геометрію простору-часу.
З гравітаційними хвилями все трохи складніше. Гравітація – це викривлення простору. Відповідно, хвилі гравітації змінюють геометрію простору. Тобто якщо людина виявиться поблизу (бажано, все-таки подалі) від джерела цих хвиль (наприклад, поруч з надновою зіркою, що вибухає) і втече від радіації та іншого вбивчого випромінювання завдяки супермегакостюму від вибуху наднових (ТМ), вона почне витягуватися вгору вниз і стискатися з боків, піймавши "горб хвилі", і стискатися вгору-вниз і розтягуватися в сторони від її "западини". При цьому захиститися від гравіхвилі, що несеться зі швидкістю світла, неможливо (спробуйте закритися від тяжіння Землі бронежилетом).
Тобто гравітаційна хвиля розтягує і стискає сам простір-час, а всі предмети, за рахунок їх пружності, чинять опір, відчуваючи, мабуть, не найприємніші відчуття.
БУМ ЧЕРЕЗ ОБМАН І "ГРАВІЦАП" В КИЄВІ
Пам'ятайте, ми смикали поплавок у ванній, обпікалися і кричали? При цих всіх смиканнях ви і самі рухаєтеся. Тому (якщо ви не голограма і володієте масою) створюєте ще й гравітаційні хвилі. Проблема лише в тому, що вони настільки слабкі, що жоден детектор з нині існуючих їх не виявить. Наскільки слабкі? В десять додецилліонов (десять мільярдів мільярдів мільярдів трильйонів) слабкіші електромагнітного впливу між частинками. Тому, щоб виявити гравітаційну хвилю, потрібно не рукою з поплавком смикати, а чимось масивнішим. Наприклад, чорною дірою, пульсаром або описаною вище надновою зіркою.
Але і в цьому випадку детектор повинен бути неслабим.
Шукати гравітаційні хвилі почали з 60-х років минулого століття, коли стало зрозуміло (після пари-трійки експериментальних підтверджень), що ейнштейнівські формули – це реально працюючий опис нашого Всесвіту.
Першу гравітаційну антену побудував в 60-х американський вчений Джозеф Вебер. Це була алюмінієва балка довжиною в кілька метрів, вміщена у вакуум і оснащена п'єзодатчиками. Принцип Вебер вловив правильно: якщо гравіхвиля викривляє простір, то вона, проходячи через цю балку, трохи змінить її розмір, а датчики це зафіксують. На жаль для нього, розмір реально має значення. Тому, природно, нічого Вебер не спіймав, хоча і заявив зворотне. Втім, до честі вченого, його обман пішов науці тільки на користь – преса про це повідомила, і настав "гравітаційний бум".
Невідомі гравіхвилі шукали все. Включаючи київських фізиків, які побудували свою "гравіцапу" (нарешті це слово можна застосувати без страху і цілком виправдано) в підвалах Інституту теоретичної фізики в Феофанії. І все закінчувалося все тими ж нульовими результатами.
Паралельно з цим, в 1974 році, фізики Рассел Халс і Джозеф Тейлор, проводячи спостереження на телескопі в Аресібо, відкрили подвійний пульсар. Але лише в 1991 році вимірювання скорочується орбіти цієї пари зірок дали підтвердження загальної теорії відносності. Тоді ж учені зрозуміли, що ця система може випромінювати гравітаційні хвилі. Теоретично, тому що на практиці ловити ці самі хвилі було нічим – детектори все ще були далекі від досконалості. Але Халс і Тейлор свою Нобелівську премію з фізики отримали. У 1993 році. З формулюванням "за відкриття нового типу пульсарів, що дало нові можливості у вивченні гравітації".
А в 1992 році Кіп Торн (той самий, який інструктував Нолана і завдяки якому "Інтерстеллар" вийшов науково-фантастичним, а не просто фантастичним), Рональд Дрівер і Райнер Вайс запропонували створити LIGO. Розшифровується це як "лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія" і зараз вважається найбільш амбітним проектом Національного наукового фонду США, пожираючи немислимі 365 млн доларів на рік (що не дивно, враховуючи розміри структури – 40 інститутів займаються аналізом даних).
Проект складається з двох обсерваторій, в Лівінгстоні (Луїзіана) і Хенфорді (Вашингтон), віддалених одна від одної на 3002 кілометри. Відстань важлива, оскільки швидкість гравіхвиль дорівнює швидкості світла, яку дає різницю в 10 мілісекунд, яка дозволяє визначити напрямок на джерело сигналу.
Основний елемент кожної обсерваторії – Г-подібна "галочка", що складається з двох чотирикілометрових (не пара метрів Вебера) плечей з вакуумом всередині. Усередині системи встановлені інтерферометри, які і вимірюють коливання.
LIGO заробила в 2002 році, а вже в 2015-му (повірте, для подібних установок це не настільки великий термін) повністю виправдала покладені на неї надії, зафіксувавши гравітаційні хвилі.
Як уже писалося вище, гравіхвилі дуже слабкі, тому смикати треба щось масивне. На щастя, Всесвіт підметушився і близько 1,3 мільярди років тому зіштовхнув одна з одною дві чорні діри масами близько 30 сонячних. Ці коливання з "далекої-далекої Галактики" пронеслися через простір-час і були "спіймані" на Землі.
ЩО ДАЛІ: ЯК ПОЗНАЧИТЬСЯ НА ЖИТТІ
І ось тут виникає головне питання. Ну і що з цього? Відповідь на нього вам не сподобається. Ну і нічого. У сенсі для теоретичної фізики – це величезний прорив. Як і для експериментальної. Подібні установки вже будуються по всьому світу – як мінімум дві запрацюють найближчим часом в Італії і Японії. Ну, тому що відкриття – це ще не все. Важливе підтвердження, чим і займаються всі вчені, які вивчають гравітацію.
Мабуть, основний момент відкриття гравітаційних хвиль полягає в тому, що загальну теорію відносності, як якийсь звід опису правил Всесвіту, нині підтверджено остаточно. А це – базис, з яким можна працювати. Якщо гравіволни існують, значить, і інші слідства теж працюють. Зокрема, і нездоланний бар'єр швидкості світла, через який людство може залишитися в Сонячній системі до кінця днів своїх. І більш екзотичні речі на зразок моста Ейнштейна – Подільського – Розена, які, по суті, є не що інше, як керовані червоточини, які можуть подарувати нам (при наявності двох-трьох філософських каменів сучасної науки на кшталт екзотичної матерії) шлях до зірок. Загалом, завжди приємно, коли твої погляди на світ вірні.
Але є й інші бонуси. Так, наприклад, людство вперше в історії отримало спосіб підібратися до вивчення чорних дір. Адже, до відкриття гравіхвиль, вони були недосяжні і досліджувалися деякими непрямими методами. А чорні діри, як відомо – одна з найбільших загадок Всесвіту (враховуючи, що ніхто і уявити не може, що там всередині них відбувається).
Крім того, в силу своєї фізичної природи, гравітаційні хвилі дозволяють вивчити Великий вибух, адже його відгомони, так звані "реліктові гравіволни", носяться по космосу досі.
Взагалі, список того, що хоче отримати від нового відкриття теоретична фізика, дуже великий. Цілком можливо, цей інструментарій дозволить познайомитися з загадковими "темною матерією" і "темною енергією". Але все це – в майбутньому.
Що стосується "земного", практичного застосування, то його немає. Ми не можемо використовувати гравітаційні хвилі в якості джерела енергії, не можемо користуватися ними, як транспортом. Це пов'язано з тим, що сама природа хвилі до цього часу не до кінця розкрита. Так, це рухається викривлення простору-часу, але чому воно викривляється? Чи будуть відкриті ті самі напівміфічні частки гравітації – гравітони? Якщо будуть і якщо є спосіб їх приборкати – людство отримає описану в тисячах науково-фантастичних праць антигравітацію.
Поки ж все це – фундаментальна фізика. З іншого боку, на початку XIX століття Майкл Фарадей, вивчаючи електромагнетизм і створивши перший в світі електродвигун, теж не міг знайти йому застосування і пропонував "показувати це за гроші", а зараз вони оточують нас всюди. Хто знає, може, і за нашого життя ми будемо ганяти на гравікарах і переміщати величезні вантажі одним клацанням пальців.
Читайте також:
Головні теми