Гравитационные волны

11 февраля 2016 года интернет взорвала новость — ученые научных объединений VIRGO и LIGO предоставили доказательства существования гравитационных волн! Ученые и журналисты утверждают, что открытие — это первый шаг на пути к фундаментальным сдвигам в физике, а впоследствии — и в технологиях. Однако что такое эти гравитационные волны, как они действуют, и, главное — что дает их открытие? Сегодня мы вместе разберемся в этом вопросе.

Гравитация, или сила во всем сущем

Прежде всего стоит выяснить, что на самом деле представляет собой гравитация. Да-да — это та сила тяготения, которая заставляет падать яблоки на головы ученых, а бутерброды маслом вниз, и не дает Земле оторваться от Солнца и улететь путешествовать по галактике. Однако в современной физике она разделяется на две важных и неотъемлемых части.

По Ньютону

Первая, более поверхностная и очевидная — это гравитация Ньютона. В ней все достаточно просто: чем тяжелее тело, тем сильнее оно притягивает к себе другие объекты. Луна, которая в разы легче Земли, вращается вокруг планеты, а не наоборот — этот принцип каждый наблюдал сам. При этом притяжение резко падает с расстоянием согласно закону обратных квадратов, который действует на любое излучение или распространение энергии. Поэтому выроненные космонавтами гаечные ключи начинают вращаться вокруг их космической станции, а сразу не вокруг Земли, а центр галактики, который намного массивнее Солнца, не перетягивает у нашего светила планеты.

Идеальной демонстрацией ньютоновской гравитации является обычный камень. Если бросить его вперед, он полетит по наклонной, устремляясь к земле по мере того, как приданный рукой импульс будет становиться слабее относительно гравитации. Чем сильнее бросать, тем дальше камень пролетит — а если придать ему достаточной скорости, он может выйти на орбиту Земли, или вовсе покинуть Солнечную систему.

Для того чтобы построить космическую ракету, запустить спутник и слетать на соседние планеты, изложения гравитации Ньютоном  и его последователями, вроде Кеплера, достаточно. Более того, эти изложения успешно используются сегодня для определения масс астероидов и других планет, а также в других практических целях.

По Эйнштейну и Теории Относительности

Однако в Теории относительности гравитация рассматривается куда глубже. Согласно ей, любое тело, обладающее массой, искривляет единое временно-пространственное «полотно» — и чем больше масса, чем сильнее оно будет искривлено. Пример с камнем тут претерпевает поразительные изменения. Согласно теории относительности, брошенный камень не притягивается к Земле и летит неизменно по прямой линии — само пространство искривляется так, что по мере затухания импульса он втыкается обратно в Землю. А вращаясь, массы закручивают пространство и время вокруг себя целыми спиралями, как на водосточных сливах. Поэтому спутники вращаются вокруг планет, планеты вокруг звезд, звезды вокруг галактических центров — и так до бесконечности.

Для того чтобы понять, откуда берется гравитационная энергия, рассмотрим базовую формулу Специальной теории относительности Эйнштейна — E=mc². E тут — это кинетическая энергия тела; затраты силы, нужные для ускорения какого-либо объекта из состояния покоя. Однако в механике теории относительности оказалось, что энергия нужна даже для того, чтобы тело не двигалось! Соответственно этим положениям, любая масса подразумевает наличие в ней потенциальной энергии. Практический выход теории взаимовместимости энергии и массы нашелся в ядерной физике — относительно неподвижные, но зато тяжелые уран и плутоний создают громадное количество энергии в реакторах и бомбах.

Звучит невероятно, не так ли? Первоначально вся эта концепция существовала только в виде математических уравнений в тетрадях Эйнштейна. Тогда, в начале XX века, сложно было найти какие-то подтверждения этой теории, да и сейчас верится тяжело. Но сейчас теория гравитационного искажения пространства используется даже в быту. Навигационная технология GPS, вшитая во все современные телефоны, работает по принципу сверки высокоточных часов наземного устройства и спутника. Так как спутнике часы замедляются их искусственно корректируют на 38 микросекунд в день в сторону увеличения. А на телефоне, который находится на поверхности Земли, ближе к гравитационному центру, время идет заметно медленнее!

Других подтверждений искажения пространства и времени гравитацией уйма: это и гравитационное линзирование, во время которого массивные объекты искажают очертания звезд за ними, и инфракрасное смещение световых волн, тоже сперва открытое «на бумаге». Эти феномены не пылятся в кладовках человеческого знания — с их помощью выясняются истинные цвета и очертания удаленных объектов, а также разрабатываются технологии будущих межзвёздных путешествий.

Волны относительности

Теперь, когда мы разобрались с основами гравитации, перейдем к гравитационным волнам — изюминке нашей программы. Как мы видим, предпосылки того, что гравитация имеет волновую природу, были еще в теории гравитации Ньютона — там она распространялась со скоростью света, как волна, и подпадала под действие закона обратных квадратов.

Однако Теория относительности добавляет большей наглядности волновой природе. Итак, мы уже знаем, что двигаясь и вращаясь, массивное тело создает искажение времени и пространства — и чем быстрее тело движется и/или вращается, тем сильнее итоговое искажение. Тут действует закон, характерный также для электрических и магнитных полей: если скорость движения будет непостоянной, будут создаваться волны. Только гравитационное волны — это не просто колебания энергии, но и колебания времени и пространства. Образно говоря, на гребне волны предметы и минуты сжимаются, становятся короче, а на скате — разглаживаются, приходят в порядок.

Эти пространственно-временные волны и есть выходом той гравитационной энергии, о которой мы упоминали выше. Однако для их появления остается одно необходимое условие — переменная, непостоянная скорость элементов гравитационной системы. А это встречается достаточно редко. Например, в Солнечной системе все планеты замедляются в афелии, самой дальней от Солнца точке орбиты, и ускоряются в перигелии. Однако массы планет по сравнению с массой Солнца слишком малы, а перепады скорости — ничтожны. Поэтому в виде гравитационных волн Солнце не теряет даже сотой доли той энергии, которую высвобождает своим излучением.

Иное дело двойные системы массивных объектов вроде звезд и черных дыр. Будучи относительно близко друг от друга, они вращаются одновременно в двух направлениях — вокруг общего центра тяжести между ними и вокруг собственной оси. Поскольку двойные системы имеют тенденцию к слиянию, они вращаются все ближе друг к другу, а оттого все интенсивнее. Такой танец гигантов, по мнению самого Эйнштейна, создает сильные гравитационные волны. Также источником колебаний могут служить мощные катаклизмы вроде вспышек сверхновых.

На видео ниже можно посмотреть, как выглядели бы большие гравитационные волны вблизи. А дальше мы узнаем, благодаря чему ученые сумели их обнаружить, и что это открытие принесет человечеству.

Услышать самый тихий звук

До 2015 года, большинство предсказанных Теорией относительности явлений были обнаружены. Одними из оставшихся в тени были гравитационные волны — самые неуловимые колебания, существующие в природе.

Сложность обнаружения гравитационных волн в первую очередь заключалась в том, что гравитация сама по себе невероятно слаба — в 10⁴⁰ раз слабее любых электромагнитных импульсов! Если с рубашки вдруг отвалится пуговица, сила гравитации Земли преодолеет суммарное притяжение рубашки и вашего тела и «уронит» пуговицу на пол. Но если пуговица будет магнитной, она так и останется на месте — электромагнитная связь двух маленьких предметов размером с десятикопеечную монету будет сильнее гравитации целой планеты! Кроме того, мощные источники гравитационных возмущений, как правило, находятся достаточно далеко от Земли, и потому волны от них ослабевают из-за пресловутого закона обратных квадратов. Это и хорошо — будь они ближе, Земля могла бы пострадать от куда более сильных физических явлений, как вот излучения.

Поэтому ученым из LIGO, которые занялись поиском гравитационных волн, пришлось построить титаническую установку, представляющую две 4-километровые перпендикулярные трубы, внутри которых вакуум. Сквозь них пропускаются лазерные лучи, время прохождения которых четко фиксируются — вместе это так называемый гравитационно-волновой интерферометр. Когда гравитационная волна проходит через Землю, пространство искажается, и лазер сперва замедляется в первой трубе, а затем ускоряется во второй — или наоборот.

Чувствительность итогового устройства такова, что колебания способны фиксироваться даже на уровне протонов. Это, однако, создает проблемы для ученых — столь чуткий прибор фиксирует множество сторонних шумов. Исследователи LIGO учитывали движения глубоко под землей, особенности погоды, убежали от дорог и городов в пустыню — но даже там в сигнал порой примешивались звуки мотоцикла, который проезжал за несколько километров от вакуумных труб. Доходило до того, что интерферометр ловил телефонные звонки!

Однако когда прибор пустили в дело, он показал себя лучшим образом. Сыграло роль и событие, гравитационные волны которого удалось засечь — слияние двух черных дыр, масса которых превышала солнечную в 36 и 29 (±5) раз! Приближаясь друг к другу, они вращались друг возле друга со скоростью, доходящей до 40% скорости света — а во время столкновения выплеснулась энергия, в 50 раз мощнее излучения всех звезд в видимой Вселенной за такой же отрезок времени. Этот момент также стал пиковым по интенсивности и силе волн — после него в гравитационном «эфире» наступили тишь да гладь.

Плоды открытия

Возможность регистрации гравитационных волн открывает «новое измерение» в астрономии. Телескопы, нынче ограниченные в оптическом диапазоне, богатом на препятствия и искажения, с помощью гравитационных волн и их отражений получать трехмерную картину наблюдаемых объектов. Технология, которую сейчас применили исследователи, была еще «сырой» — но в будущем гравитационные волны позволят исследовать объекты, которые скрывают от нас галактики и туманности.

Кроме того, были подтверждены многие теории, до сих пор бывшие предметом дискуссий. Так, была доказана возможность существования двойных систем черных дыр, которые могут поглощать друг друга. Также укрепились положения Общей теории относительности насчет гравитации, из-за чего регистрацию гравитационных волн в прессе называют «подарком Эйнштейну к 100-летию Теории относительности». А еще возможность «слышать» волны гравитации даст возможность проникнуть в тайны темной материи, которая до сих пор морочит голову ученым со всего мира.