зачем нужны гравитационные волны
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.
– 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.
Зачем нужны гравитационные волны
Вчера мир потрясла сенсация: ученые наконец-то обнаружили гравитационные волны, существование которых предсказывал Эйнштейн еще сто лет назад. Это прорыв. Искажение пространства-времени (это и есть гравитационные волны — сейчас объясним, что к чему) обнаружили в обсерватории ЛИГО, а одним из ее основателей является — кто бы вы думали? — Кип Торн, автор книги «Интерстеллар. Наука за кадром».
Рассказываем, почему открытие гравитационных волн так важно, что сказал Марк Цукерберг и, конечно, делимся историей от первого лица. Кип Торн как никто другой знает, как устроен проект, в чем его необычность и какое значение ЛИГО имеет для человечества. Да-да, все так серьезно.
Открытие гравитационных волн
Научный мир навсегда запомнит дату 11 февраля 2016. В этот день участники проекта ЛИГО (LIGO) объявили: после стольких тщетных попыток гравитационные волны найдены. Это реальность. На самом деле их обнаружили немного раньше: в сентябре 2015 года, но вчера открытие было признано официально. В The Guardian считают, что ученые непременно получат Нобелевскую премию по физике.
Причина гравитационных волн — столкновение двух черных дыр, которое произошло аж… в миллиарде световых лет от Земли. Представляете, насколько огромна наша Вселенная! Так как черные дыры — очень массивные тела, они пускают «рябь» по пространству-времени, немного его искажая. Вот и появляются волны, похожие на те, которые распространяются от камня, брошенного в воду.
Вот так можно представить гравитационные волны, идущие к Земле, например, от червоточины. Рисунок из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Полученные колебания преобразовали в звук. Интересно, что сигнал от гравитационных волн приходит примерно на той же частоте, что и наша речь. Так что мы можем своими ушами услышать, как сталкиваются черные дыры. Послушайте, как звучат гравитационные волны.
И знаете что? Совсем недавно Стивен Хокинг заявил, что черные дыры устроены не так, как считалось раньше. Но ведь доказательств того, что они в принципе существуют, не было вовсе. А теперь есть. Черные дыры действительно «живут» во Вселенной.
Так, по мнению ученых, выглядит катастрофа – слияние черных дыр, – источник.
11 февраля состоялась грандиозная конференция, куда съехались больше тысячи ученых из 15 стран. Российские ученые тоже присутствовали. И, конечно, не обошлось без Кипа Торна. «Это открытие — начало изумительного, великолепного квеста для людей: поиска и исследования искривленной стороны Вселенной — объектов и явлений, созданных из искаженного пространства-времени. Столкновение черных дыр и гравитационные волны — наши первые замечательные образцы», — сказал Кип Торн.
Поиск гравитационных волн был одной из главных проблем физики. Теперь они найдены. И гений Эйнштейна подтвержден вновь.
В октябре мы взяли интервью у Сергея Попова, отечественного астрофизика и известного популяризатора науки. Он как в воду глядел! Осенью Сергей Попов сказал: «Мне кажется, что сейчас мы стоим на пороге новых открытий, что в первую очередь связано с работой детекторов гравитационных волн LIGO и VIRGO (Кип Торн как раз внес большой вклад в создание проекта LIGO)». Удивительно, правда?
Гравитационные волны, детекторы волн и LIGO
В книге «Интерстеллар. Наука за кадром» Кип Торн рассказывает: «Я был одним из основателей проекта ЛИГО в 1983 году (вместе с Райнером Вайсом из Массачусетского технологического института и Рональдом Дривером из Калтеха). Я сформулировал научные позиции ЛИГО и два десятка лет упорно работал, помогая воплотить этот проект в жизнь. Сейчас проект ЛИГО близок к готовности, и уже в этом десятилетии ожидается первая регистрация гравитационных волн». А ведь это — ожидание больших открытий — было совсем недавно. Сегодня это свершилось.
Аэрофотоснимок детектора гравитационных волн ЛИГО в Хэнфорде, Вашингтон. Фотография из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Что ж, а теперь немного физики. Для тех, кто действительно хочется разобраться в том, что такое гравитационные волны. Вот художественное изображение тендекс-линий двух черных дыр, которые вращаются по орбитам друг вокруг друга, против часовой стрелки, и затем сталкиваются. Тендекс-линии порождают приливную гравитацию. Идем дальше. Линии, которые исходят из двух наиболее удаленных друг от друга точек на поверхностях пары черных дыр, растягивают все на своем пути, включая попавшую на рисунок подругу художницы. Линии же, исходящие из области столкновения, все сжимают.
Когда дыры вращаются одна вокруг другой, они увлекают следом свои тендекс-линии, которые походят на струи воды из крутящейся поливалки на газоне. На рисунке из книги «Интерстеллар. Наука за кадром» — пара черных дыр, которые сталкиваются, вращаясь одна вокруг другой против часовой стрелки, и их тендекс-линии.
Черные дыры объединяются в одну большую дыру; она деформирована и вращается против часовой стрелки, увлекая за собой тендекс-линии. Неподвижный наблюдатель, находящийся вдали от дыры, почувствует колебания, когда через него будут проходить тендекс-линии: растяжение, затем сжатие, затем растяжение — тендекс-линии стали гравитационной волной. По мере распространения волн деформация черной дыры постепенно уменьшается, и волны также ослабевают.
Когда эти волны достигают Земли, они имеют вид, показанный в верхней части рисунка ниже. Они растягивают в одном направлении и сжимают в другом. Растяжения и сжатия колеблются (от красного вправо-влево, к синему вправо-влево, к красному вправо-влево и т. д.) по мере того, как волны проходят через детектор в нижней части рисунка.
Гравитационные волны, проходящие через детектор ЛИГО.
Детектор представляет собой четыре больших зеркала (40 килограммов, 34 сантиметра в диаметре), которые закреплены на концах двух перпендикулярных труб, называемых плечами детектора. Тендекс-линии гравитационных волн растягивают одно плечо, сжимая при этом второе, а затем, наоборот, сжимают первое и растягивают второе. И так снова и снова. При периодическом изменении длины плеч зеркала смещаются друг относительно друга, и эти смещения отслеживаются с помощью лазерных лучей способом, который называется интерферометрией. Отсюда и название ЛИГО: Лазерно-интерферометрическая гравитационноволновая обсерватория.
Центр управления ЛИГО, откуда отправляют команды детектору и следят за полученными сигналами. Гравитационные детекторы ЛИГО расположены в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. Фото из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Сейчас ЛИГО — интернациональный проект, в котором участвует 900 ученых из разных стран, со штабом, расположенным в Калифорнийском технологическом институте.
Искривленная сторона Вселенной
Черные дыры, червоточины, сингулярности, гравитационные аномалии и измерения высшего порядка связаны с искривлениями пространства и времени. Поэтому Кип Торн называет их «искривленной стороной Вселенной». У человечества до сих пор очень мало экспериментальных и наблюдательных данных с искривленной стороны Вселенной. Вот почему мы столько внимания отдаем гравитационным волнам: они состоят из искривленного пространства и предоставляют наиболее доступный для нас способ исследовать искривленную сторону.
Представьте, что вам приходилось видеть океан, только когда он спокоен. Вы бы знать не знали о течениях, водоворотах и штормовых волнах. Это напоминает наши сегодняшние знания об искривлении пространства и времени.
Мы почти ничего не знаем о том, как искривленное пространство и искривленное время ведут себя «в шторм» — когда форма пространства бурно колеблется и когда колеблется скорость течения времени. Это необыкновенно манящий рубеж знаний. Ученый Джон Уилер придумал для этих изменений термин «геометродинамика»
Особый интерес в области геометродинамики представляет столкновение двух черных дыр.
Столкновение двух невращающихся черных дыр. Модель из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
На рисунке выше изображен момент столкновения двух черных дыр. Как раз такое событие позволило ученым зафиксировать гравитационные волны. Эта модель построена для невращающихся черных дыр. Сверху: орбиты и тени дыр, вид из нашей Вселенной. Посередине: искривленное пространство и время, вид из балка (многомерного гиперпространства); стрелками показано, как пространство вовлекается в движение, а изменяющимися цветами — как искривляется время. Снизу: форма испускаемых гравитационных волн.
Гравитационные волны от Большого взрыва
Слово Кипу Торну. «В 1975 году Леонид Грищук, мой добрый приятель из России, сделал сенсационное заявление. Он сказал, что в момент Большого взрыва возникло множество гравитационных волн, причем механизм их возникновения (прежде неизвестный) был таков: квантовые флуктуации (случайные колебания — прим. ред) гравитационного поля при Большом взрыве были многократно усилены первоначальным расширением Вселенной и так стали изначальными гравитационными волнами. Эти волны, если их удастся обнаружить, могут рассказать нам, что происходило в момент зарождения нашей Вселенной».
Если ученые найдут первоначальные гравитационные волны, мы узнаем, как зародилась Вселенная.
Люди разгадали далеко на все загадки Вселенной. Все еще впереди.
В последующие годы, по мере того как совершенствовались наши представления о Большом взрыве, стало очевидно: эти изначальные волны должны быть сильными на длинах волн, соизмеримых с величиной видимой Вселенной, то есть на длинах в миллиарды световых лет. Представляете, сколько это. А на длинах волн, которые охватывают детекторы ЛИГО (сотни и тысячи километров), волны, скорее всего, окажутся слишком слабыми, чтобы их распознать.
Он окружен щитами, экранирующими аппарат от излучения окружающего ледяного покрова. В правом верхнем углу показан обнаруженный в реликтовом излучении след — поляризационный узор. Линии электрического поля направлены вдоль коротких светлых штрихов.
След начала Вселенной
В начале девяностых космологи поняли, что эти гравитационные волны длиной в миллиарды световых лет должны были оставить уникальный след в электромагнитных волнах, наполняющих Вселенную, — в так называемом космическом микроволновом фоне, или реликтовом излучении. Это положило начало поискам святого Грааля. Ведь если обнаружить этот след и вывести из него свойства изначальных гравитационных волн, можно узнать, как зарождалась Вселенная.
В марте 2014 года, когда Кип Торн писал эту книгу, команда Джеми Бока, космолога из Калтеха, кабинет которого находится рядом с кабинетом Торна, наконец обнаружила этот след в реликтовом излучении.
Это совершенно потрясающее открытие, но есть один спорный момент: след, найденный командой Джеми, мог быть вызван не гравитационными волнами, а чем-то еще.
Если действительно найден след гравитационных волн, возникших при Большом взрыве, значит, произошло космологическое открытие такого уровня, какие случаются, быть может, раз в полвека. Оно дает шанс прикоснуться к событиям, которые происходили спустя триллионную от триллионной от триллионной доли секунды после рождения Вселенной.
Это открытие подтверждает теории, гласящие, что расширение Вселенной в тот миг было чрезвычайно быстрым, на сленге космологов — инфляционно быстрым. И возвещает наступление новой эры в космологии.
Гравитационные волны и «Интерстеллар»
Вчера на конференции по поводу открытия гравитационных волн Валерий Митрофанов, руководитель московской коллаборации ученых LIGO, в которую входят 8 ученых из МГУ, отметил, что сюжет фильма «Интерстеллар» хоть и фантастичен, но не так далек от действительности. А все потому, что научным консультантом был Кип Торн. Сам же Торн выразил надежду, что верит в будущие пилотируемые полеты человека к черной дыре. Пусть они случатся не так скоро, как хотелось бы, и все же сегодня это намного реальнее, чем было раньше.
Не так уж и далек день, когда люди покинут пределы нашей галактики.
Такая вот речь. И это человек, который просто интересуется наукой. Можно себе представить, какая буря эмоций захлестнула ученых, которые внесли свою лепту в открытие. Кажется, мы стали свидетелями новой эры, друзья. Это поразительно.
Спросите Итана №74: гравитационные волны
Свет и звук – это известные нам волны. Но волны бывают и гравитационными.
Следовательно, пространству самому по себе и времени самому по себе суждено исчезнуть в тенях, и только лишь объединение их двоих сохранится в роли независимой реальности.
— Герман Минковский
Когда Эйнштейн предложил свою общую теорию относительности, она не просто потрясла основы физики, но и полностью разрушила их, чтобы построить новые. Вместо материи, существующей в точках пространства и моментах времени, она предположила, что у пространства и времени есть свои собственные измерения в четырёхмерной структуре пространства-времени, и эта структура меняется из-за присутствия и взаимодействия всей находящейся в ней материи и энергии. Её истинность подтверждается несколькими её успешными и удивительными предсказаниями, от гравитационного красного смещения, до изгибания звёздного света из-за присутствия материи.
Выбранный сегодня из присланных вами вопрос стал самым коротким за всю историю наших статей, и принадлежит Адаму Рабангу, который спрашивает:
Дорогой Итан,
Что, чёрт возьми, такое гравитационные волны?
Спасибо,
Адам.
Начнём с обсуждения другого типа волн, с которым вы можете быть знакомы: водных волн.
Начать можно с идеально спокойной и плоской воды. Поверхность воды остаётся спокойной и нетронутой воздействием внешних сил. Что случится, если аккуратно поместить, скажем, насекомое на поверхность?
Оно слегка деформирует поверхность, поскольку гравитационное притяжение насекомого прилагает силу к поверхности, что приводит к её искривлению. Если мы сделаем что-нибудь менее нежное, например, уроним объект с большой высоты на поверхность воды – что мы увидим?
Мы увидим знакомую рябь, которую мы связываем с волнами на воде. Мы побеспокоили поверхность воды, и энергия распространяется наружу с определённой скоростью, в зависимости от свойств среды (воды), по которой идёт волна.
Если мы начнём рассматривать волны света, всё останется аналогичным, хотя и станет менее интуитивным.
Свет также можно представить себе как рябь, распространяющуюся в пространстве-времени. У него есть определённая энергия, зависящая от частоты/длины волны, скорость распространения, скорость света в определённой среде, и он двигается в определённом направлении, определяемом условиями, в которых он возник, а затем следует по пути, определяемом кривизной пространства-времени.
Но как создаётся свет? Как появляется реальный фотон? Один из способов – взаимодействие частиц (или античастиц) друг с другом: существует конечная вероятность того, что две любые взаимодействующие частицы произведут хотя бы один фотон.
Ещё один, более интересный способ, происходит от эффекта, которому нет аналога в классических волнах: когда заряженная частица двигается в присутствии магнитного поля.
Да, магнитное поле заставляет частицу менять направление: это действует сила Лоренца. Но когда частица двигается в магнитном поле, она также испускает излучение в виде фотонов: циклотронное излучение на низких энергиях/скоростях/полях, или синхротронное в более релятивистских условиях.
Этот тип излучения появляется не только в экспериментах на Земле, но и в природной лаборатории Вселенной – например, в джетах гигантской, самой массивной из ближайших галактик, Messier 87.
И вот мы дошли до гравитации. У электричества есть два вида зарядов – положительный и отрицательный – а у гравитации один: масса, или, точнее, энергия. В то время, как электрические поля и магнитные поля влияют на заряженные частицы, у гравитации есть лишь один тип поля: искривление пространства.
Но с гравитацией во Вселенной ситуация та же, что и с электромагнетизмом: у нас имеются гравитационно заряженные частицы, двигающиеся в гравитационных полях.
И хотя в некоторых деталях физические законы различаются, эффект получается один и тот же: излучение. В нашем случае это не электромагнитное излучение, а гравитационное! Рябь, путешествующая со скоростью света по ткани пространства-времени, переносящая энергию.
Эффект увеличивается в случае быстро ускоряющихся масс в изменяющихся гравитационных полях, например, когда нейтронная звезда объединяется с другой, или находится на малой и уменьшающейся орбите с другим телом, оставшимся от звезды.
Гравитационные волны (или гравитационное излучение) проявляют себя через эту рябь в пространстве-времени, и она приводит ко вполне определённым искривлениям в размере и направлении любой встречающейся на пути материи и/или электромагнитного излучения.
В теории эти волны можно обнаружить напрямую через интерферометр с длинной базой, и сейчас над этими поисками работают в разных проектах, включая коллаборацию LIGO. [ровно через год после написания этой статьи LIGO обнаружил гравитационные волны – прим.перев.]
Если случится чудо, запустят космическую антенну лазерных интерферометров, или LISA, которая гарантированно обнаружит этот эффект. LISA поскольку будет искать его в том диапазоне, где должно происходить большое количество событий!
У нас уже есть непрямое свидетельство существования гравитационных волн, поскольку мы наблюдаем предсказанное уменьшение орбит пульсаров, происходящее в течение многих лет – наблюдение, совпадающее с предсказанием ОТО. С другой стороны, ОТО также предсказывает, что орбиты должны угасать из-за испускания гравитационных волн. Если бы могли обнаружить их напрямую, это стало бы подтверждением одного из последних основных предсказаний одной из величайших физических теорий.
Так что такое гравитационные волны? Это новая форма излучения – гравитационное излучение – испускаемое массивными или переносящими энергию частицами, путешествующими в гравитационных полях. Если частица ускоряется или гравитационное поле меняется, интенсивность излучения увеличивается, и с течением времени оно уносит энергию со скоростью света, в результате чего орбиты угасают, а также появляется возможность обнаружения этих волн. При правильном подходе мы можем получить новый тип астрономии – гравитационная астрономия – технология для этого уже существует!
В числе разных источников гравитационных волн находится и космическая инфляция. Недавно опубликованные коллаборацией Планка результаты накладывают ограничения на возможные типы инфляции, благодаря отсутствию её влияния на поляризацию микроволнового космического излучения, и отбрасывают целый класс инфляционных моделей – моделей хаотической инфляции.
Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.