communist.ru

Новость о фиксации лабораторией LIGO гравитационных волн, исходящих от двух столкнувшихся между собой чёрных дыр, стала одной из тех научных сенсаций, которые широко обсуждаются в социальных сетях людьми, имеющими о физике весьма схематичное представление. Попытаемся же разобраться в том, что именно открыли учёные и чем нам всем это «грозит».

Гравитационные волны: откуда есть пошли

Почти все, кто интересовался вопросом сделанного учеными лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) открытия, знают, что оно «подтвердило предположения Эйнштейна». Давайте разберёмся, что же это были за предположения и как именно эксперименты LIGO позволили их подтвердить.

Суть гравитационной теории Эйнштейна, которая ещё называется Общей теорией относительности, состояла в том, что гравитационные эффекты обусловлены искажением пространства-времени под действием гравитирующей массы.

Эту идею можно объяснить, если представить себе наше четырёхмерное (три пространственных измерения плюс время) пространство в виде растянутой двухмерной эластичной сетки – чего-то вроде батута. В нормальном состоянии, эта «сетка» натянута равномерно и, если мы возьмём любой узел этой «сетки», то исходящие из него нити сетки будут иметь равное расстояние до других узлов.

Но если мы положим на сеть некий тяжёлый предмет, то та деформируется под его весом. В результате структура «сетки» исказится: нити растянутся, и вблизи массивного предмета станут длиннее, чем на отдалении от него.

Искажение «сетки» пространства-времени под влиянием гравитационного поля Земли

Таким же образом, по теории Эйнштейна, влияет на наше четырёхмерное пространство-время и гравитирующая масса. Т.е. на самом деле гравитационное воздействие объясняется не взаимодействием тел между собой, но их обоюдным влиянием на структуру окружающего их пространства.

Иными словами, Эйнштейн считал, что брошенный под неким углом на поверхности земли теннисный мячик на самом деле летит по прямой, а наблюдаемая траектория его движения (парабола) вызвана тем, что наблюдаемое нами пространство искривлено гравитационным полем Земли.

Искривление траекторий в гравитационном поле на различном расстоянии от массивного объекта

Но это – стационарный случай. А теперь представим себе, что массивное (т.е. имеющее массу) тело не лежит на сетке в состоянии покоя, а движется с ускорением – к примеру, как когда человек подпрыгивает на батуте, или как когда теннисный мяч ударяется о сетку ракетки. Как мы знаем, в этом случае возникает возмущение, которое распространяется по сетке от точки соприкосновения к краям. Любой, кто когда-либо играл в теннис, знает, что после удара ракетка несколько мгновений вибрирует – это и есть результат распространения этого возмущения, которое дошло по сетке до самого материала ракетки и далее по нему передалось в её рукоятку.

Нечто подобное, предположил Эйнштейн, должно наблюдаться и в структуре пространства-времени, через которые с ускорением движется некое обладающее массой тело: оно также должно вызывать возмущения пространства-времени, своеобразную «рябь» искажений пространственно-временной метрики. Процесс распространения этих возмущений – и есть та волна, которую решили обнаружить исследователи LIGO.

Иголка в стоге сена

Однако сказать – проще, чем сделать. Гравитационные волны и вызываемые ими искажения пространства-времени слишком слабы для того, чтобы их можно было просто зафиксировать на Земле. Необходимы поистине космические процессы с телами большой массы, движущимися со значительным ускорением.

И такой процесс нашли: им стало столкновение двух чёрных дыр, массы каждой из которых примерно в 30 раз превосходят массу нашего Солнца. Дело в том, что перед столкновением эти чёрные дыры начали вращаться друг относительно друга по постепенно сужающейся спирали. Вращение является одним из случаев движения с ускорением, а значит, эти чёрные дыры должны испускать гравитационные волны. По мере сближения чёрных дыр, радиус вращения будет уменьшаться, ускорение – увеличиваться,  а испускаемые ими гравитационные волны должны стать достаточно мощными, чтобы их, в теории, можно было зафиксировать с помощью определённых сверхчувствительных приборов на Земле.

Ловушка для гравитационной волны

Обнаружить искажения пространства-времени, возникающие в результате прохождения гравитационной волны, решили с помощью приборов, называемых интерферометрами. Эти устройства известны уже давно, и активно используются как в экспериментальной физике, так и в промышленности – прежде всего, для сверхточного изменения расстояний.

Как следует из названия, интерферометр в своей работе использует принцип интерференции света. Это явление изучают в школе, но на всякий случай напомню, что интерференция – это взаимодействие двух пучков света, которое, в зависимости от условий, приводит к их ослаблению или усилению. На практике речь идёт о двух частях одного и того же пучка, разделённого с помощью системы приспособлений. Две эти части пучка направляются по различным траекториям (оптическим путям), а затем сводятся вместе и направляются на один экран. В результате на экране образуется т.н. интерференционная картина – система чередующихся тёмных и светлых полос, которая зависит от соотношения пройденных оптических путей. Даже незначительное (порядка длины волны света) изменение длины оптического пути, пройденного одним из пучков, даст наблюдаемое измерение интерференционной картины. Именно поэтому с помощью интерферометра можно зафиксировать даже незначительное изменение геометрических размеров тел.

А причём здесь гравитационные волны, спросит читатель? А дело в том, что изменение метрики пространства-времени, вызываемое гравитационными волнами, как раз и должно, как мы уже говорили выше, проявляться в изменении линейных размеров тел! Именно с помощью интерферометра их и планировали обнаружить.

Сплющивание Земли под воздействием гравитационных волн (для наглядности демонстрации масштаб эффекта сильно увеличен, в реальности воздействие гравитационной волны значительно слабее)

С этой целью в двух точках в США были построены два уникальных интерферометра: один в Ливингстоне (Луизиана), другой в Хенфорде (Вашингтон). Каждый из интерферометров, разнесённых более чем на 3000 километров, должен был вести независимые измерения, которые затем должны были быть сопоставлены между собой. Сами интерферометры также представляли собой весьма незаурядные конструкции: прежде, чем совместиться на экране, два пучка должны были пройти по 4 километра каждый!

Интерферометр в Хенфорде. Хорошо видны «плечи», по которым распространяются световые волны

И это сработало. Изменение интерференционной картины было зафиксировано лабораториями LIGO 14 сентября 2015-го года. Как оказалось впоследствии, эти результаты соответствовали расчётным параметрам, т.е. оказались такими же, какие могли бы быть произведены гравитационной волной, возникшей в ходе столкновения чёрных дыр указанной массы и в указанном месте. Тот факт, что явление зарегистрировали обе лаборатории LIGO, позволяет практически исключить вероятность случайных совпадений.

Прежде, чем обнародовать результаты, учёные проекта, в котором приняли участие множество научных учреждений из 15 стран, потратили почти полгода на их анализ и перепроверку. Официально об экспериментальном обнаружении гравитационных волн было объявлено 11 февраля 2016-го года. Новость была встречена учёными всего мира с ликованием.

Что это значит?

Попытаемся же понять, что именно вызвало столь бурную радость учёных, многие из которых уже назвали это открытие самым значительным научным достижением XXI столетия?

Эйнштейн был прав насчёт гравитации. Эксперимент LIGO подтвердил существование предсказанных им гравитационных волн, что указывает на справедливость его гипотезы в принципе. Похоже, что гравитация «работает» именно так, как о ней думал Эйнштейн, и это является важным шагом в познании наиболее таинственного из четырёх известных типов взаимодействий, существующих в природе. Это – ключевое значение данного эксперимента с точки зрения фундаментальной физики, причём переоценить его важность практически невозможно.

Однако опыты LIGO имеют ценность не только с точки зрения сугубой теории. Существование гравитационных волн, а также обнаружение способа их «захвата» может стать началом новой эры в исследовании  космоса: эры «квантовой астрономии», которая позволит изучать явления, недоступные радиоастрономии, уж не говоря о классической «оптической» астрономии, давно уже «упёршейся» в предел своих возможностей.

Гравитационные волны не экранируются другими объектами (например, пылевыми туманностями и тому подобным), а значит, они могут донести до Земли информацию о многих важных космических событиях. Среди прочего, изучение гравитационных волн может дать ответы на вопрос о скорости расширения Вселенной, проверить существующие теории о физике чёрных дыр, ранних и поздних этапах эволюции звёзд и тому подобное. Уже не говоря о том значении, которое могут иметь эти наблюдения для работы над теорией гравитации – одного из наиболее беспокоящих современных теорфизиков «белых пятен» познания.

Разумеется, для развития гравитационной астрономии как новой отрасли познания потребуется серьёзное усовершенствование средств наблюдения: по всей видимости, в будущем мы увидим устройства, по сравнению с которыми установка LIGO покажется такой же несовершенной и малочувствительной, как первый телескоп Галилея по сравнению с современными устройствами для наблюдения звёздного неба. Это потребует колоссальных затрат и серьёзнейшей работы лучших инженеров и учёных, которые в другой ситуации, возможно, были бы сочтены чрезмерными. Но теперь мы знаем, что гравитационные волны существуют, что их можно «ловить», и что эти затраты в итоге окажутся оправданными.

Кстати, система LIGO и после 14 сентября 2015-го года фиксировала гравитационные волны, проходящие через нашу планету. Сейчас сотни учёных по всему миру уже работают над интерпретацией этих данных с тем, чтобы понять, какими событиями были вызваны эти наблюдения. Иными словами, гравитационная астрономия уже стала частью арсенала познания мира, находящегося в распоряжении Человечества.