Книга: Чем мир держится?

Волны кривизны, или в небо, за звездами

Волны кривизны, или в небо, за звездами

Кто не видел волн на воде — набегающих на морской берег, ряби на реке под легким ветром, кругов, расходящихся от брошенного в пруд камня? Мы знаем радиоволны, знаем, что свет — это тоже волны; квантовая механика категорически подчеркивает волновые свойства элементарных частиц.

Чем же на этом фоне так уж выделяются гравитационные волны, что они собой представляют? Или должны представлять, поскольку пока они только предсказаны, только вычислены, только описаны. — и не более того…

Уравнения Эйнштейна гораздо сложнее уравнений Максвелла. Но структура тех и других уравнений сходна. Из теории Максвелла следовало, что при неравномерном движении электрического заряда возникают электромагнитные волны. Именно таково в конечном счете происхождение и радиоволн, и рентгеновских лучей, и самого обыкновенного видимого света.

Немецкий физик Генрих Герц впервые в опыте показал реальность электромагнитных волн. Это случилось в 1888 году.

Понадобилось всего семь лет, чтобы Александр Попов превратил электромагнитные волны в средство коммуникации, и человечество получило радиосвязь.

Так вот, неравномерное движение «гравитационных зарядов» (а такие «заряды», как вы знаете, несут все известные нам тела) тоже должно создавать волны, только, естественно, гравитационные. Поскольку же гравитация тесно связана с геометрическими свойствами пространства, то колебания поля тяготения есть колебания кривизны пространства[20].

Необходимая оговорка: польский физик Леопольд Инфельд доказывал, что гравитационные волны невозможны, невозможен реальный перенос ими энергии. Но мало кто из теоретиков разделяет сегодня эту точку зрения.

Равномерное движение в нашем мире встречается не так уж часто. Движение Земли и других планет вокруг Солнца — движение с угловым ускорением, значит, неравномерное. Любое космическое тело при движении по своей орбите излучает гравитационные волны, они рождаются и при любых столкновениях тел, при взрывах — словом, буквально всюду.

Мир должен быть пронизан гравитационными волнами. А поскольку они подчиняются законам квантовой механики, то являются одновременно материальными частицами, имеют массу. По некоторым подсчетам, около трети всей массы-энергии в нашей Вселенной составляют именно гравитоны, родившиеся в течение тех десяти — двадцати миллиардов лет, которые отводят астрофизики на существование Метагалактики. В каждом кубическом сантиметре космического пространства содержится, возможно, десять в минус тридцатой степени грамма гравитонов — столько же, сколько (в среднем) всей видимой материи — от звезд до фотонов (еще треть массы мира составляют, возможно, нейтрино). И вот это-то грандиозное явление пока что только описано, но не обнаружено. Причина — та самая слабость силы тяготения, о которой уже столько раз говорилось. Вот какой пример приводит В. Борисов в книге «Загадка тяготения»: «Если взять несколько брусков кварца массой в 1 т, возбудить в них такие упругие колебания, что бруски будут колебаться в режиме, близком к разрушению (на это понадобится 10⁸ Вт мощности), мощность всего гравитационного излучения составит 10^-21 Вт».

Коэффициент полезного действия в этом случае составит одну стомиллионную долю от одной квадриллионной доли: десять в минус двадцать девятой степени.

Пожалуй, только в области тяготения ученым приходится практически иметь дело с десятками, над которыми стоят в качестве показателей степени столь огромные отрицательные числа! Тут гравитационщикам не позавидуют даже специалисты по элементарным частицам.

Причем Борисов еще считает нужным оговорить, что приведенный им пример — «один из наиболее удачных в отношении коэффициента полезного действия».

Мало того. При приеме излученной гравитационной энергии нам придется иметь дело с той же величиной КПД. Значит, при массе излучателя в одну тонну на приемной гравитационной антенне придется измерять величину, равную всего-навсего десяти в минус пятидесятой степени ватта. Похоже, что бессмысленно передавать эту чудовищно малую величину словами, лучше написать так: 10^-50.

Но ведь в мире столько природных источников гравитационных волн! Вселенная просто переполнена ими. Однако ближайшие из них тоже не отличаются мощностью. Самая большая планета Солнечной системы, Юпитер, излучает в виде гравитационных волн ровно столько энергии, сколько достаточно для электролампочки в четыреста пятьдесят ватт. Не густо. Что говорить об остальных планетах?

Зато чем дальше в космос, тем больше мы встретим мощных генераторов гравитационного излучения. При некоторых взрывах сверхновых звезд, при гравитационном коллапсе (если он происходит несимметрично, то есть вещество звезды не устремляется к ее центру со всех сторон с одной и той же скоростью), при столкновениях нейтронных звезд и черных дыр гравитационные волны должны излучаться в огромных количествах. Предполагают, что тут возможен КПД перехода массы-энергии в гравитационное излучение, равный десяткам процентов. Энергия такого излучения оценивается теперь в эргах числом, равным десяти в пятьдесят второй— пятьдесят пятой степени. Снова огромная величина показателя степени, но теперь со знаком плюс! Вот как пополняются «запасы» гравитонов в Метагалактике, составляющие, возможно, до трети ее массы. Но гравитационные волны от мощных взрывов всех видов рассеиваются в пространстве равномерно, до Земли доходит ничтожная доля их энергии. А КПД земной гравитационной антенны по-прежнему чрезвычайно низок.

И все-таки охота за гравитационными волнами началась. Ученый, который их обнаружит, станет новым Генрихом Герцем.

Ловля гравитонов — занятие сложное. Чтобы поймать радиоволну, как и любую электромагнитную волну, достаточно в принципе всего-навсего одного электрического заряда. Волна заставит его сместиться, а это смещение можно измерить.

Есть два основных способа принять гравитационные волны из космоса. Можно использовать то обстоятельство, что гравитационное излучение взаимодействует с электромагнитным полем и способно возбудить в нем колебания, которые и подлежат измерению. Можно измерить смещение тел в высокочувствительной механической системе. Именно этим и занимался в 1968–1971 годах профессор Мерилэндского университета в США Джозеф Вебер.

…На тонких нитях к раме из стальных блоков, разделенных резиновыми прокладками, подвешен алюминиевый цилиндр длиною полтора метра, диаметром шестьдесят сантиметров и весом полторы тонны. На поверхность цилиндра наклеены пьезодатчики, переводящие его механические колебания в электрические. Все это сооружение помещено в вакуумную камеру. Второй такой же цилиндр был установлен на расстоянии в тысячу километров от первого.

С помощью сейсмографов, акустических датчиков, наклономеров стремились отсеять все колебания, вызванные внешними воздействиями, не связанными с гравитационными волнами. Оставались, правда, неустранимы слабые колебания, причиной которых были тепловые шумы — результат броуновского движения молекул.

Вебер считал, что при этих условиях одновременные всплески колебаний обоих цилиндров — признак воздействия на них очень длинных (многокилометровых) гравитационных волн. Приборы отметили такие всплески, и во всех, пожалуй, газетах и журналах мира появились сообщения о первом приеме гравитационного излучения.

Астрофизики, однако, пришли в большое смущение. Чувствительность веберовской системы была, несмотря на все старания, очень низка. Если тем не менее прием состоялся, это означало, что во Вселенной происходят процессы, мощность которых не соответствует теоретическим представлениям астрономов. Предполагаемым источником волн, которые Вебер пытался принять, является центр нашей Галактики. Для того, чтобы антенна их зафиксировала, в центре Галактики должна была ежегодно переходить в гравитационное излучение полная энергия вещества с массою в тысячу с лишним раз больше солнечной. Для Галактики чересчур много. При таких процессах, похоже, давно бы не существовало пашей звездной системы. Но теория теорией, а эксперимент экспериментом. Подобное проверяют подобным, клин вышибают клином, эксперимент провернется другим экспериментом.

Первыми в мире проверяли опыт Вебера в Московском университете. Это сделала группа Брагинского. Волн не приняли. Потом эксперимент повторяли в США и Англии, Италии и ФРГ… Эффект Вебера тоже не повторился.

Что же произошло?

По-видимому, установка Вебера не была достаточно защищена от внешнего «постороннего» воздействия. Во всяком случае обнаружено, что некоторые моменты, в которые антенна Вебера регистрировала приход волн, совпадают во времени с изменениями солнечной активности и магнитного поля Земли.

Первая атака оказалась неудачной, но она стала важным звеном планомерного штурма проблемы.

В том же 1971 году, когда Вебер закончил свои опыты, появилась в «Письмах в Журнал экспериментальной и теоретической физики» работа В. Б. Брагинского и М. Б. Менского. Она излагала способ, обещающий повысить чувствительность коротковолновых гравиприемников на восемь порядков по сравнению с антенной Вебера, то есть в сто миллионов раз. Этим новый метод гравиприема обязан принципиально новому подходу к проблеме. Измеряться должны не механические колебания твердого тела, а изменение свойств цуга — сгустка электромагнитных волн. Слово «цуг» — немецкого происхождения и означает запряжку лошадей гуськом, в две или три пары. Цуг волн в новом гравиприемнике должен быть пущен по круговому волноводу. Согласно законам общей теории относительности, гравитационная волна воздействует на волны электромагнитные. На одних участках волновода она их «подгонит», на других— «притормозит». Выразится это в изменении частоты электромагнитных волн и сдвиге их фазы. Если теперь правильно подобрать то и другое, в принципе можно изменить диаметр круга и время его обегания цугом так, чтобы это время было вдвое меньше периода колебаний гравитационной волны; наступит резонанс: на одних и тех же участках волновода цуг будет снова и снова ускоряться, на других снова и снова замедляться. Это и позволяет резко повысить чувствительность прибора. Резко, но пока недостаточно для приема предполагаемых гравитационных волн.

Теоретики — тут большую роль играют советские ученые, группирующиеся вокруг академика Я. Б. Зельдовича, — стали рассчитывать, какие именно волны, какой длины и всплесками какой продолжительности должны приходить на Землю от гравитационных источников разного типа. Такие расчеты были проделаны, например, для шарового скопления, содержащего примерно миллиард сверхплотных звезд (пульсаров, черных дыр). Гравитационные волны должны были излучаться при пролете звезд на близком расстоянии друг от друга и при их столкновениях.

Для приема излучения от такого скопления надо настроить детектор на частоту сто герц (длина волны — три тысячи километров). При этом чувствительность гравитационной антенны должна быть достаточной, чтобы зарегистрировать амплитуду колебаний в десять в минус шестнадцатой степени сантиметра за одну сотую секунды.

Самые мощные из предполагаемых источников гравитационных волн — черные дыры с массою в миллион или миллиард солнечных масс. Точнее говоря, не сами дыры, а процессы их образования, если схлопывание звезд имеет несимметричный характер, если вещество звезды устремляется к центру ее неравномерно с разных сторон. Но черные дыры — все-таки гипотетические объекты. То же относится к процессам, при которых они образуются. Реальнее рассчитывать на волны, идущие от нейтронных звезд, масса которых не может быть намного больше солнечной.

Гравитационные антенны придется изолировать не только от сейсмических и акустических шумов, но и от магнитных воздействий любого типа, и, что труднее всего, от тепловых шумов. Тут надо будет работать при максимально низкой температуре, в гигантских холодильниках.

Большие возможности открывает космос.

Надо вынести две массы, составляющие гравитационную антенну, за пределы атмосферы — конечно, на спутниках. Желательно на спутниках, свободных от сноса. Здесь длину антенны, расстояние между пробными массами можно сделать сколь угодно большой — скажем, размером с радиус земной орбиты или еще больше.

Такая антенна будет предназначена для сверхдлинных гравитационных волн.

«Обычно экспериментаторы интуитивно отдают предпочтение лабораторным земным вариантам опыта по сравнению с космическими», — пишут по этому поводу В. Б. Брагинский и В. Н. Руденко. Причина понятна. Космические эксперименты дороги. Но в случае с гравитационными волнами и лабораторные эксперименты весьма недешевы. А на разработку надежных систем защиты от всевозможных шумов и необходимое повышение точности измерений в лаборатории требуется, по мнению оптимистов, минимум пять лет, чтобы стал реален «опыт Герца». Пессимисты увеличивают срок втрое. Между тем космическую антенну нужной чувствительности можно запустить в принципе в самое ближайшее время. Можно даже использовать космические станции обычного типа, то есть несвободные от сноса, расположив их соответствующим образом и применив изощренные методы отсеивания влияний, не относящихся к делу, с помощью расчетов.

Как ни велики надежды на космос, разрабатываются все новые наземные варианты антенн.

Так, в конце пятидесятых годов М. Е. Герценштейн указал вот еще на какую возможность. Свет и радиоволны, проходя через магнитное поле, должны порождать гравитационные волны. Причем эти волны имеют очень высокую частоту — ту же, что сами электромагнитные колебания, их породившие.

КПД превращения здесь значительно выше, чем в случае с механическими колебаниями. Например, энергия гравитационных волн, вызванных к жизни электромагнитным излучением звезд в межзвездных магнитных полях, должна быть меньше энергии электромагнитного излучения лишь в десять в шестнадцатой степени раз. Довольно «энергичны» должны быть и гравитационные волны, возбуждающиеся при проходе видимого и невидимого света через внутризвездное магнитное поле.

Во время термоядерных реакций в недрах звезд, в том числе и Солнца, постоянно возникает жесткое электромагнитное излучение. По дороге к поверхности звезды оно идет через ее магнитное поле — опять-таки появляются гравитационные волны.

То обстоятельство, что свет в магнитном поле может порождать гравитационные волны, открывает возможность создания их излучателя.

Тут появляется, в частности, — в очень далекой перспективе, конечно, — и возможность создания «гравитационного лазера». В обычных лазерах мы получаем очень узкие направленные пучки света. Гравитационные волны, порожденные таким лазером, тоже будут идти узким пучком. КПД превращения электромагнитных волн в гравитационные пропорционален квадрату напряженности магнитного поля и квадрату длины пути света в этом поле. Такая зависимость считается очень выгодной. Ведь каждый шаг вперед в усилении поля и увеличении его размеров дает эффект, возведенный в квадрат. Достаточно усилить напряженность поля в десять раз, и в сто раз большая доля энергии света перейдет в гравитационное излучение. А если при этом удастся в десять раз удлинить дорогу света через поле, то уже можно говорить в общей сложности о десятитысячекратном увеличении. Но десять тысяч — это только десять в четвертой степени. Немного рядом с величинами, характеризующими гравитационные волны.

Но это все-таки один из путей, открытых науке. А может быть, удастся найти физические процессы, которые надут гораздо больший КПД превращения света в волны тяготения?

Пока же ученые работают над использованием в гравитехнике уже известных процессов.

Сейчас появилось большое количество конкретных проектов гравитационных антенн на этой основе.

Л. П. Грищук и М. В. Сажин детально разработали проект излучателя, в котором колебания электромагнитного поля создают пучок гравитационных волн.

Казанские физики У. X. Копвиллем и В. Р. Нагибаров уже давно предложили идею создания своего рода гравитационного лазера, где должны складываться вместе излучения десяти секстильонов элементарных источников. К сожалению, идея пока недостаточно разработана даже в чисто теоретическом плане.

А. А. Соколов, Д. В. Гальцов и Ю. В. Грац предлагают использовать для генерации гравитационных волн движение электронов в плазме…

Новые типы механических приемников и излучателей предлагаются В. Б. Брагинским и В. Н. Руденко.

Словом, идей много. И если до их конкретного воплощения в жизнь достаточно далеко и стоить это будет большого труда, то зато перспективы здесь необъятны.

…Простым глазом в самую звездную ночь увидишь в небе лишь несколько тысяч светящихся точек. Телескопы резко умножили число звезд, то же сделали затем радиотелескопы. И все-таки эта открывающаяся нам бездна, что звезд полна, должна быть полна ими в еще большей степени. Задумаемся вот над каким фактом. Мы видим только те космические тела, что светятся своим или отраженным светом, те тела, что посылают нам электромагнитные волны. (Радиозвезды в конце концов излучают те же электромагнитные волны, только другой, не световой частоты.)

Ну, а как быть с теми небесными телами, что еще не зажглись или уже погасли? Для нас они не существуют. Мы словно бродим по ночному лесу, видя в нем только гнилушки да светлячков. Слишком сильное сравнение? Наверняка. Но мы действительно видим на небе лишь то, что светится. Это, конечно, не вина, наша, а беда.

Разумеется, по тончайшим деталям видимого движения звезд иногда удается узнать, не двойные ли они, может ли быть у такого-то светила планетная система. Тут помогает знание законов тяготения и небесной механики. Но отдельные солнца нашей Галактики разделяют такие чудовищные пространства, что ни Ньютон, ни Эйнштейн со всеми их законами не запретят существование в этих просторах темных звезд, не излучающих ни световых, ни радиоволн. Астрономы-теоретики даже рассчитали, какими могут быть эти таинственные звезды, предсказали их возможные массу, свойства, особенности; фантасты прикинули, как невидимые космические «не-светила» будут мешать межзвездным путешествиям, что за жизнь возникнет на их вечно ночной поверхности.

Впрочем, дело тут не в фантастах. Может быть, нынешний звездный глобус будет скоро выглядеть еще более наивно, чем доколумбовский земной глобус, обходившийся без трех частей света из шести возможных. Преображение звездного глобуса должна произвести гравитационная астрономия, которая, вероятно, когда-нибудь позволит разглядеть многие из звезд-невидимок.

Она же решит тем самым некоторые вселенские проблемы.

С 1933 года существует в астрономии «парадокс Цвикки», «парадокс скрытых масс». Суть его вот в чем. Масса каждой галактики связана с ее светимостью.

По тому, сколько света исходит от галактики (или скопления галактик), высчитывают, разумеется, примерно, ее массу. Но ту же самую массу можно определить и другим способом — по скоростям обращения звезд, расположенных на разных расстояниях от центра галактики. Последний метод должен быть более точным, поскольку на движение звезды в галактике влияет именно притяжение, масса остальных объектов этой большой звездной системы.

В первом случае учитываются только видимые объекты, во втором — все.

Разница в результатах, полученных первым и вторым методом, никак не может быть объяснена неточностью вычислений. Масса галактики (или группы галактик), определенная по движению звезд, может быть и в два, и в десять и в сто раз больше, чем масса, определенная по светимости.

Каких только гипотез не выдвигают для разрешения парадокса Цвикки! Пересматривают плотность межзвездного газа. Предлагают считать, что группы галактик очень быстро расширяются (и верно: при этом «парадокс скрытых масс» снимается).

Предполагают, что видимые части галактик на самом деле лишь центральные их области, окруженные далеко за принятыми ныне их пределами межзвездным газом, масса которого и объясняет эффект. И т. д. и т. п. Однако достаточно давно выдвигалась идея о том, что скрытые массы составлены просто-напросто несветящимися звездами, возможно, гораздо меньшими, чем Солнце.

Последняя гипотеза, можно сказать, напрашивается. И все-таки особой популярностью она не пользуется. Причина проста — ее нельзя проверить. А наша наука слишком прочно, пожалуй, покоится на фундаментальных принципах тех же Галилея и Ньютона да еще Френсиса Бэкона, требующих эксперимента, проверки. Ну как исследовать проблему, которую нельзя решить ни наблюдением, ни расчетом? Ученые в аналогичных случаях нередко предпочитают изучать менее вероятные предположения, если есть зато возможность их проверить.

Вот тут гравитационная астрономия тоже скажет свое веское слово. Конечно, не сразу. Сначала ее техника, вероятно, позволит исследовать только мощные процессы взрывного типа. Но ведь лиха беда — начало!

Не менее, если не более важно, что гравитационные волны сообщат нам самые интимные подробности внутреннего строения Солнца, ведь оно для этих волн прозрачно. Значит, гравитационное излучение, возникшее при перемещении внутрисолнечных масс и движении электромагнитных воли через поле Солнце, до нас дойдет. Дойдут до гравиприемников и те гравитационные волны, что пришли со стороны и по дороге пронизали Солнце. По тому, как подействовало на таких «транзитников» поле Солнца, можно будет составить об этом поле реальное представление.

А там за «опытом Герца» должна прийти очередь «опыта Попова».