Гравитационная волна

Гравитационные волны: в чём суть открытия

Открытие гравитационных волн стало главной научной сенсацией 2016 года. Антон Первушин объясняет, что означает это открытие, почему его пришлось ждать сто лет и почему оно не переворачивает наши представления о вселенной, а наоборот, подтверждает их.

Сто лет назад, в 1916 году, великий Альберт Эйнштейн опубликовал первые статьи, посвящённые Общей теории относительности (ОТО). В них было показано, что гравитация вызвана деформацией самого пространства-времени под влиянием массы. Попробуем описать это наглядно. Если металлический шарик лежит на мягкой поверхности, то под ним образуется вмятина. И чем тяжелее шарик, тем вмятина глубже и обширнее. Так и космическое пространство, да и время заодно, «проминается» под массой планет, звёзд и галактик.

Хотя некоторые учёные приняли теорию Эйнштейна в штыки, она обладала важным качеством: могла предсказывать реальные наблюдаемые эффекты, а именно — деформацию пространства-времени рядом с массивными небесными телами. Собственно, Общая теория относительности и появилась как попытка объяснить наблюдаемый сдвиг перигелия Меркурия. В то время этот феномен объясняли влиянием неизвестной планеты поблизости от Солнца; ей даже придумали название — Вулкан. Пользуясь формулами Эйнштейна, можно было объяснить и математически описать этот сдвиг, не придумывая никакого Вулкана.

Несуществующий Вулкан в представлении художника

Теории требовались и другие подтверждения, и вскоре они были получены. В 1919 году Артур Эддингтон при наблюдении очередного солнечного затмения сумел зарегистрировать отклонение лучей звёзд, проходящих поблизости от нашего светила, — именно такое, как предсказывала ОТО.

В течение ХХ века было проведено много других экспериментов, которые прямо или косвенно подтверждали теорию. Например, был обнаружен эффект гравитационного линзирования, когда излучение далёких объектов усиливается или разделяется за счёт больших масс, находящихся на его пути. Поиск гравитационных линз породил целое направление в астрономии после того, как в 1979 году британские учёные на фотоснимках квазара QSO 0957+16 обнаружили не один квазар, а два одинаковых.

Есть и ещё более наглядное доказательство — так называемый «Крест Эйнштейна». Именно в виде креста из четырёх объектов с линзирующей галактикой в центре мы наблюдаем квазар QSO 2237+0305, находящийся в созвездии Пегаса на расстоянии 8 млрд. световых лет от нас.

«Крест Эйнштейна», фото NASA. На самом деле это один квазар, просто искажённый гравитационной линзой

Больше того, удалось подтвердить ещё два эффекта, предсказанные ОТО: замедление времени в гравитационном поле и слабое искривление пространства-времени, создаваемое Землёй. Прямые доказательства их существования получили с помощью космических аппаратов Gravity Probe, запущенных в 1976 и 2004 году.

После всего этого уже можно было уверенно заявить, что теория Эйнштейна работает и имеет практическое применение. Оставалась самая малость — зафиксировать предсказанные ею гравитационные волны, которые возникают в пространстве-времени при движении массивного тела, словно рябь на воде. Хотя они очень слабы, их можно зарегистрировать при наблюдении за объектами с огромной массой: квазарами, галактиками, чёрными дырами. Косвенные подтверждения их существования появлялись с начала 1990-х. И вот долгожданное открытие состоялось.

Если точнее, оно было сделано ещё 14 сентября 2015 года, но на обработку результатов ушло пять месяцев. И только вчера, 11 февраля 2016 года, ученые из международного проекта LIGO Scientific Collaboration смогли официально объявить, что им удалось зарегистрировать гравитационные волны с помощью двух лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваторий, расположенных в штатах Луизиана и Вашингтон. Эти волны образовались в результате столкновения двух черных дыр, которое произошло 1,3 млрд лет назад.

Гравитационная обсерватория в штате Вашингтон

Сегодня об этом открытии пишут в восторженных тонах как о научной сенсации. Однако вопреки тому, что заявляют некоторые восторженные комментаторы, оно не способно «изменить мир». Скорее наоборот: предсказанный эффект лишний раз доказывает, что наши представления о Вселенной, сформировавшиеся сто лет назад благодаря Эйнштейну, пока что останутся неизменными.

Так что новых технологий типа антигравитационных двигателей, о которых мечтают любители фантастики и энтузиасты освоения космоса, открытие нам не принесёт. Ведь в рамках современной версии Общей теории относительности такие двигатели попросту невозможны.

Что означает открытие гравитационных волн для обычного человека?

Профессор Валентин Руденко. Фото: polymus.ru

Валентин Николаевич Руденко делится историей своего визита в город Кашина (Италия), где он провел неделю на тогда еще только что построенной «гравитационной антенне» — оптическом интерферометре Майкельсона. По дороге к месту назначения таксист интересуется, для чего построена установка. «Тут люди думают, что это для разговора с Богом», — признается водитель.

— Что такое гравитационные волны?

– Гравитационная волна один из «переносчиков астрофизической информации». Существуют видимые каналы астрофизической информации, особая роль в «дальнем видении» принадлежит телескопам. Астрономы освоили также низкочастотные каналы – микроволновой и инфракрасный, и высокочастотные – рентгеновские и гамма-. Кроме электромагнитного излучения, мы можем регистрировать потоки частиц из Космоса. Для этого используют нейтринные телескопы – крупногабаритные детекторы космических нейтрино – частиц, которые слабо взаимодействуют с веществом и поэтому трудно регистрируются. Почти все теоретически предсказанные и лабораторно-исследованные виды «переносчиков астрофизической информации» надежно освоены на практике. Исключение составляла гравитация – самое слабое взаимодействие в микромире и самая мощная сила в макромире.

Гравитация – это геометрия. Гравитационные волны — геометрические волны, то есть волны, которые меняют геометрические характеристики пространства, когда проходят по этому пространству. Грубо говоря, это — волны, деформирующие пространство. Деформация – это относительное изменение расстояния между двумя точками. Гравитационное излучение отличается от всех других типов излучений именно тем, что они геометрические.

– Гравитационные волны предсказал Эйнштейн?

– Формально считается, что гравитационные волны предсказал Эйнштейн, как одно из следствий его общей теории относительности, но фактически их существование становится очевидным уже в специальной теории относительности.

Теория относительности предполагает, что из-за гравитационного притяжения возможен гравитационный коллапс, то есть стягивание объекта в результате коллапсирования, грубо говоря, в точку. Тогда гравитация такая сильная, что из нее даже не может выйти свет, поэтому такой объект образно называется черной дырой.

– В чем заключается особенность гравитационного взаимодействия?

Особенностью гравитационного взаимодействия является принцип эквивалентности. Согласно ему динамическая реакция пробного тела в гравитационном поле не зависит от массы этого тела. Проще говоря, все тела падают с одинаковым ускорением.

Гравитационное взаимодействие – самое слабое из известных нам сегодня.

– Кто первым пытался поймать гравитационную волну?

– Гравитационно-волновой эксперимент первым провел Джозеф Вебер из Мэрилендского университета (США). Он создал гравитационный детектор, который теперь хранится в Смитсоновском музее в Вашингтоне. В 1968-1972 году Джо Вебер провел серию наблюдений на паре пространственно разнесенных детекторов, пытаясь выделить случаи «совпадений». Прием совпадений заимствован из ядерной физики. Невысокая статистическая значимость гравитационных сигналов, полученных Вебером, вызывала критическое отношение к результатам эксперимента: не было уверенности в том, что удалось зафиксировать гравитационные волны. В дальнейшим ученые пытались увеличить чувствительность детекторов веберовского типа. На разработку детектора, чувствительность которого была адекватна астрофизическому прогнозу, ушло 45 лет.

За время начала эксперимента до фиксации прошло много других экспериментов, были зафиксированы импульсы за этот период, но у них была слишком маленькая интенсивность.

Джозеф Вебер налаживает один из первых детекторов гравитационных волн. Фото: «Вокруг Света» № 02/2007

– Почему о фиксации сигнала объявили не сразу?

– Гравитационные волны были зафиксированы еще в сентябре 2015 года. Но даже если совпадение было зафиксировано, надо прежде, чем объявлять, доказать, что оно не является случайным. В сигнале, снимаемом с любой антенны, всегда есть шумовые выбросы (кратковременные всплески), и один из них случайно может произойти одновременно с шумовым всплеском на другой антенне. Доказать, что совпадение произошло не случайно можно только с помощью статистических оценок.

– Почему открытия в области гравитационных волн так важны?

– Возможность зарегистрировать реликтовый гравитационный фон и измерить его характеристики, такие как плотность, температура и т.п., позволяет подойти к началу мироздания.

Привлекательным является то, что гравитационное излучение трудно обнаружить, потому что оно очень слабо взаимодействует с веществом. Но, благодаря этому же свойству, оно и проходит без поглощений из самых далеких от нас объектов с самыми таинственными, с точки зрения материи, свойствами.

Можно сказать, что гравитационные излучения проходят без искажения. Наиболее амбициозная цель – исследовать то гравитационное излучение, которое было отделено от первичной материи в Теории Большого Взрыва, которое создалось в момент создания Вселенной.

Фото: forum.relogos.org

– Исключает ли открытие гравитационных волн квантовую теорию?

Теория гравитации предполагает существование гравитационного коллапса, то есть стягивание массивных объектов в точку. В то же время, квантовая теория, которую развивала Копенгагенская школа предполагает, что, благодаря принципу неопределенности, нельзя одновременно указать точно такие параметры как координата, скорость и импульс тела. Здесь есть принцип неопределенности, нельзя определить точно траекторию, потому что траектория – это и координата, и скорость и т. д. Можно определить только некий условный доверительный коридор в пределах этой ошибки, которая связана с принципами неопределенности. Квантовая теория категорически отрицает возможность точечных объектов, но описывает их статистически вероятностным образом: не конкретно указывает координаты, а указывает вероятность того, что она имеет определенные координаты.

Вопрос об объединении квантовой теории и теории гравитации – один из фундаментальных вопросов создания единой теории поля.

Над ним сейчас продолжают работать, и слова «квантовая гравитация» означают совершенно передовую область науки, границу знаний и незнаний, где сейчас работают все теоретики мира.

– Что может дать открытие в будущем?

Гравитационные волны неизбежно должны лечь в фундамент современной науки как одна из составляющих нашего знания. Им отводится существенная роль в эволюции Вселенной и с помощью этих волн Вселенную следует изучать. Открытие способствует общему развитию науки и культуры.

Если решиться выйти за рамки сегодняшней науки, то допустимо представить себе линии телекоммуникационной гравитационной связи, реактивные аппараты на гравитационной радиации, гравитационно-волновые приборы интроскопии.

Итальянский детектор гравитационных волн VIRGO с плечами длиной 3 км сооружался с 1996-го и введен в строй в 2003 году. Фото: scisne.net

– Имеют ли отношение гравитационные волны к экстрасенсорике и телепатии?

Не имеют. Описанные эффекты — это эффекты квантового мира, эффекты оптики.

Беседовала Анна Уткина