Книга: Чердак. Только физика, только хардкор!

6.8. Что такое гравитационные волны

6.8. Что такое гравитационные волны

11 февраля 2016 года произошло знаковое событие в научном мире: официально было объявлено об обнаружении гравитационных волн. Но если одних людей это привело в восторг, то другие остались в недоумении – а что же такое эти волны и почему так важно это открытие? На самом деле все не так уж сложно.

Итак, согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация – это следствие искривления пространства-времени телами, имеющими массу. Условно можно представить себе Вселенную как резиновую упругую поверхность, которую массивные тела деформируют своей тяжестью. Если на плоском пространстве-времени начать двигать предметы, то по поверхности побежит рябь, это и есть гравитационные волны – словно волны на воде. Правда, ощущаются они совсем иначе. Если волны на воде – это колебания молекул, то гравитационные волны – это сжатие и растяжение самого пространства-времени. Если по вам проходит плоская гравитационная волна, то, когда вы оказываетесь на ее гребне, вас растягивает по вертикали и сжимает по горизонтали, а когда оказываетесь на впадине – наоборот.

Стоит отметить, что мы не вклеены в пространство-время намертво: мы будем сопротивляться деформации за счет сил упругости, и нас будет корежить, плющить и растягивать. Но гравитация – очень слабая сила, она слабее электромагнитных сил в 1040 раз, так что вряд ли мы когда-либо почувствуем все эти эффекты.

Образуются гравитационные волны при движении любых массивных тел с переменным ускорением. И даже если вы махнете рукой, от нее побежит такая волна. Но она будет ничтожна, все равно что апперкот от муравья. Поэтому и засечь такие волны очень сложно. Единственное, что может обнаружить современная техника, это волны от сливающихся нейтронных звезд или черных дыр (ведь у них огромная масса). А раз они сливаются, вращаются, то и с ускорением все в порядке. Конечно, такие объекты находятся далеко в космосе, и волна, дойдя до нас, сильно ослабевает (в 1020 раз).

Но пока это самые сильные возмущения, доступные для наблюдений.

Теория гравитации предсказала очень много явлений. Например, искривление световых лучей возле массивных объектов, замедление времени в относительно сильном гравитационном поле. В общем, все важнейшие предсказания, вытекающие прямо из формул, были подтверждены точнейшими экспериментами, кроме одного – существования гравитационных волн. Но наконец и их удалось обнаружить!

Впервые ученым удалось пронаблюдать за этими возмущениями 14 сентября 2015 года. Это были гравитационные волны от слияния двух черных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет в области в южном полушарии. Две черных дыры массами в 29 и 36 солнечных масс слились в одну. Ее масса равна 62 солнечным. Но если к 29 прибавить 36, то получится 65. Куда делись три солнечных массы? Они превратились в энергию, но не световую или какую-то другую, а в энергию гравитационных волн.

Пойманное излучение оказалось в области звуковых частот. Его, конечно же, перевели в звук, так что мы можем услышать, как сливаются черные дыры, или даже использовать этот звук как сигнал для входящих сообщений на телефоне.

Зафиксировали это явление с помощью интерферометра Майкельсона. Это вполне обыденный инструмент, студенты используют его в своих лабораторных работах. Но этот интерферометр невероятно огромен и точен. На его создание потребовалось 25 лет работы и 650 млн долларов.

Интерферометр Майкельсона представляет собой две перпендикулярных трубы с вакуумом длиной 4 километра. На концах этих труб подвешиваются зеркала. Луч лазера расщепляется на два пучка, которые направляются на зеркала по трубам, отражаются и, вновь соединяясь друг с другом, попадают на детектор. Длины подобраны так, что в «спокойном» состоянии лучи лазеров при воссоединении гасят друг друга. Но когда проходит гравитационная волна, одна труба сжимается, другая растягивается, лучи проходят другое расстояние, компенсация становится неполной, и это улавливает детектор. Причем речь идет о совсем ничтожных изменениях длины – в тысячи раз меньше атомного ядра! Это то же самое, как заметить, что Солнце сжалось на несколько сотых долей нанометра.

Гравитационные волны приходят со всех направлений, ведь гравитация ничем не экранируется, она спокойно проходит сквозь Землю. Сигнал поймали две лаборатории на расстоянии 3000 км друг от друга, и вероятность того, что это случайное событие, практически нулевая. Для того чтобы детекторы чисто случайно выдали подобный результат, пришлось бы ждать 200 тысяч лет. Так что дополнительных проверок не нужно.

Открытие гравитационных волн подтверждает общую теорию относительности, ведь сомнений на этот счет было немало. Существование гравитационных волн прямо вытекало из формул, но их очень долго не могли найти.

С их помощью можно более детально исследовать черные дыры. Гравитационные волны рождаются практически у поверхности черной дыры, вблизи горизонта событий. Раньше мы судили о черных дырах только по веществу, которое их окружает. А с помощью гравитационных волн мы словно заглянули под одежду черной дыре.

Да и в целом у астрономов появился еще один удивительный способ изучения Вселенной. Ведь основные инструменты – это оптические телескопы, радио, рентгеновские обсерватории, с помощью которых наблюдают электромагнитные волны. Сейчас к ним добавилось принципиально новое явление – гравитационные волны. Кто-то сказал об этом: «Если раньше у астрономов были только глаза, то теперь появились уши». Даже трудно вообразить, сколько новой информации о Вселенной мы узнаем благодаря этому открытию.

В ближайшие десятилетия чувствительность аппаратуры повысится в десятки раз. Мы сможем больше узнать о Вселенной и ее возникновении. Очевидно, мы на пороге больших открытий. Можно найти аналогию в истории науки: электромагнитные волны обнаружили только через 23 года после теоретического предсказания. А сейчас мы и не представляем нашу жизнь без них! И кто знает, как обернется история с волнами гравитационными…