Сергей Слюсаренко – «Если», 2016 № 02 (страница 28)
Алексей Пасечник
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ:
КТО ОНИ?
© Артем Костюкевич, илл., 2016
Они изучают распространение гравитационных волн. Вы знаете, что такое смерть-планета? Скалистый обломок, который в нужный момент целиком превращается в излучение! Чрезвычайно поучительное зрелище!
Однажды в лабораторию английского физика Майкла Фарадея зашел тогдашний английский премьер-министр и. посмотрев на вертящиеся магниты и прыгающие стрелки измерительных приборов, недоуменно спросил, какая же практическая польза от всех этих фокусов. Фарадей ответил, что пока он не может определенно сказать, как использовать на практике его открытия, но уверен, что они очень важны. Настолько важны, что не пройдет и нескольких десятилетий, и Ее Величество обложит их налогами.
Первым подробно описанным антигравитационным устройством является, по-видимому, уэллсовский кейворит, при помощи которого двум отважным путешественникам удалось достичь Луны за 70 лет до экипажа «Аполлона-11» (Уэллс Г. Дж. «Первые люди на Луне»). Но примитивные антигравитационные летательные аппараты обладали плохой управляемостью, и подобно тому как аэростаты и дирижабли были в скором времени вытеснены аэропланами, антигравитационные технологии начала XX века оказались надолго потеснены ракетными. В итоге освоение Солнечной системы в научной фантастике происходило с применением сначала химических, а затем и ядерных ракет.
Так продолжалось до тех пор, пока отважные звездоплаватели не обнаружили в 1960 году на Венере космический корабль фаэтов (Мартынов Г. С. «Наследство фаэтонцев»). После такого события бурное развитие антигравитационных технологий было уже не остановить. Первые успешные опыты, произведенные в 1961 году на астероиде Эйномия (Стругацкий А. Н., Стругацкий Б. Н. «Стажеры»), однако, не привели к созданию технологий по управлению метрикой. Хотя антигравитационное устройство и было использовано для достижения Луны в 1965 году (Носов Н. Н. «Незнайка на Луне»), вторгшиеся в 1968-м в Персей земляне едва не потерпели фиаско перед давно овладевшими гравитационными технологиями зловредами (Снегов С. А. «Вторжение в Персей»).
Усилия западных ученых тоже долгое время не давали практического результата. Несмотря на успешное создание антигравитационного устройства еще в 1952 году (Джонс Р. Ф. «Уровень шума»), спустя десять лет, когда советские ученые уже вовсю экспериментировали с гравитацией на Эйномии, буржуазная наука не продвинулась дальше создания детских игрушек (Гаррисон Г. М. «Магазин игрушек»).
Юра не выдержал и прошептал Эзре прямо в ухо: — Что случилось? Почему все так радуются?
Эзра, слегка повернув голову, пробубнил:
— Получили упреждение. Доказали. Что гравитация распространяется. Быстрее света. Впервые доказали.
Ньютон не конкретизировал природы введенной им силы всемирного тяготения. «Гипотез не измышляю», — отвечал он на вопрос, откуда берется тяготение. Эйнштейн попытался продвинуться на один шаг дальше, предположив, что никакой силы тяготения на самом деле не существует: все тела стремятся двигаться по инерции равномерно и прямолинейно, а гравитационное поле лишь искривление пространства-времени. «Прямая» же, по которой они движутся в «кривом» пространстве-времени, представляется нам кривой.
Попробуем наглядно представить себе, как выглядит искривленное пространство-время. Из «правильной», действительно научной, фантастики и хорошей научно-популярной литературы многие, возможно, помнят, что в гравитационном поле с пространством-временем происходят две вещи: время в гравитационном поле замедляется, а вертикальное расстояние сокращается. Чтобы изобразить этот процесс, возьмем прямоугольную декартову сетку координат, в которой по горизонтали отложено время, а по вертикали высота, и начнем ее искривлять.
Сначала сократим расстояние, то есть сделаем масштаб по вертикали неравномерным. Сетка после этого все еще будет прямоугольной. После этого останется учесть замедление времени — для этого нам придется изогнуть сетку так, чтобы масштаб оси времени внизу отличался от масштаба времени наверху. Итоговый результат должен быть таким, чтобы траектория падающего тела, нарисованная в искривленном пространстве-времени, стала прямой линией.
Гравитационные волны, порождаемые, например, вращающимися друг относительно друга массами, представляют собой локальные искривления пространства-времени, распространяющиеся, как считается, со скоростью света. Если на пути такого возмущения окажется какое-либо материальное тело, то оно начнет сжиматься и растягиваться в такт колебаниям гравитационной волны. Проблема в том, что эти колебания чрезвычайно малы. Например, при прохождении гравитационной волны, зафиксированной в сентябре 2015 года, относительное изменение длины плеча интерферометра составило порядка 10–21. Чтобы представить себе малость этой величины, вообразите, что вы измеряете расстояние от Земли до Луны. Так вот, 10–21 от этого расстояния составит меньше одной миллиардной миллиметра — в тысячу раз меньше размера атома. Теперь вы можете представить, насколько технически сложной была задача регистрации гравитационных волн!
Сначала гравитационные волны пытались ловить, измеряя деформации большого металлического цилиндра. Первый детектор подобного типа был построен Джозефом Вебером в 1960 году. Но, как вы уже, вероятно, смогли догадаться, обнаружить столь малые деформации ему не удалось.
Всего через два года после первых опытов Вебера, в 1962 году, два советских физика, Михаил Герценштейн и Владислав Пусто-войт, предложили принципиально иной способ регистрации сверхмалых смещений, используя для этого лазерный интерферометр. Луч света в интерферометре огромное количество раз путешествует туда и обратно между двумя зеркалами, в результате чего сдвиг фазы света, вызванный смещением одного из зеркал, многократно нарастает. Именно этот способ и был использован в решающем эксперименте. Зависимость сдвига фазы света от времени совпала с расчетом того, как он должен себя вести, находясь в поле гравитационной волны, порожденной в процессе слияния двух черных дыр. Это как если бы, например, никто никогда не слышал звука скрипки, но у исследователей был бы чертеж скрипки и они бы просчитали, какой звук, с каким тембром, с какими гармониками она должна издавать. После этого кто-то принес бы запись звука и его смогли бы идентифицировать именно как звук скрипки, а не альта и не виолончели, и тем более не трубы или рояля.
Черные дыры — очень простые объекты. Эволюция двойной системы черных дыр до момента слияния занимает миллиарды лет, за это время их орбиты приближаются к круговым, и перед последним актом у нас остаются только два параметра: массы черных дыр. Продолжая аналогию с музыкальными инструментами, сумма (M1 + М2) определяет, что это за инструмент: скрипка, альт, виолончель или контрабас, а отношение (M1/M2) определяет, какая струна звучит.
По форме полученной кривой, по ее временному поведению, были вычислены массы черных дыр, а затем — расстояние до точки события, которое оказалось равным 1,3 млрд световых лет, и примерное направление прихода сигнала. Решение уравнений общей теории относительности для так называемых «слабых» гравитационных волн — а именно они излучаются в описанном процессе — дает скорость их распространения, равную скорости света.
В существовании гравитационных волн уже давно никто не сомневался, потому что за истекшие годы было открыто несколько космических объектов, например двойных пульсаров, поведение которых полностью объясняется процессом излучения гравитационных волн. Вопрос стоял только в том, чтобы наконец поставить точку в этой задаче, зафиксировав гравитационные волны в наземной лаборатории. Возвращаясь к аналогиям: еще Галилей предсказывал отклонение снарядов силой Кориолиса (понятно, что он не называл ее этим словосочетанием). Но кучность стрельбы тогдашних орудий и скорости ядер не позволяли экспериментально проверить это предсказание. Спустя сто лет уже никто не сомневался в существовании отклоняющей силы, но обнаружить ее экспериментально по-прежнему не удавалось. Когда же наконец это удалось, это было уже не открытие, а лишь формальное подтверждение давно признаваемого факта. Примерно то же самое произошло и с обнаружением гравитационных волн.
Март взглянул на небо.
— Да, вот они, звезды, — сказал он. — Я всегда хотел добраться до звезд. Теперь, когда у нас есть антигравитация…
— Вы можете полететь к звездам, если захотите.
Слабость гравитационного взаимодействия делает задачу его изучения чрезвычайно сложной. Из-за этого гравитационная постоянная является одной из наименее точно измеренной физических констант; сегодня мы можем с уверенностью говорить только о трех десятичных знаках ее значения. Но в далеком будущем эти исследования могут подарить человечеству новый технологический прорыв — искусственную гравитацию.
Незадолго до сообщения об обнаружении гравитационных волн профессор Андре Фюзфа из Намюрского университета в Бельгии предложил провести эксперимент по созданию искусственного гравитационного поля, которое можно было бы включать и выключать поворотом рубильника. И хотя в предложенном виде эксперимент невероятно трудоемок, он тем не менее вполне осуществим и открывает нам путь к реальному управлению гравитацией.