Морская болезнь: что такое гравитационные волны и как их обнаружили

Открытие гравитационных волн породило множество псевдонаучных слухов: оказывается, теперь мы сможем путешествовать при помощи «силы гравитации Земли» и строить антигравитационные машины. Разбираемся, что такое гравитационные волны, как они были открыты и для чего могут использоваться.

Коротко об общей теории относительности

На гравитационном поле уже сто лет правит общая теория относительности (ОТО), предложенная и разработанная Альбертом Эйнштейном в начале XX века. Пространство и время в ОТО искривляются вблизи массивных тел, что и определяет траектории движения.

Представьте себе натянутый кусок ткани: это будет наша модель пространства. Если на полотно ничего не действует, оно будет плоским, а кратчайшее расстояние между двумя точками будет обыкновенной прямой линией.

Теперь положим в центр ткани тяжелый шарик. Под его действием ткань прогнется: именно так и ведет себя пространство в ОТО. Тела также больше не будут двигаться по прямой, траектории становятся изогнутыми линиями, форму которых определяет само пространство.

Полетный парадокс

Выше описанное, хоть и кажется слегка безумным, на самом деле хорошо знакомо многим, и пример – наша родная планета Земля. На рисунке показаны два пути от Москвы до Нью-Йорка: проведенный по прямой (черная линия) и в виде дуги (красная линия).

Как вы думаете, какой вариант короче: черный или красный? Возможно, ответ вас удивит: короче оказывается красная линия. Этот эффект связан с тем, что поверхность Земли шарообразна, искривлена, как и наше пространство. Прямой путь по Земле на карте будет выглядеть кривой, и наоборот, а проведенная по линейке прямая оказывается длиннее.

Что умеет ОТО

Основная задача ОТО состоит в том, чтобы определять форму кривизны пространства при любой заданной конфигурации массивных тел. Искривление пространства и времени приводит к некоторым интересным эффектам: отклонение пучков света от движения по прямой, замедление времени вблизи тяжелых тел, смещение орбит планет. Все эти эффекты обнаружены, подтверждены и совпадают с ОТО на данный момент с высокой степенью точности.

Как пустить волну

Для физиков волна – движение вещества, которое обладает свойством повторяемости. Например, любая точка колеблющейся струны через определенный период времени попадает в то же положение, из которого она «стартовала». Математически это значит, что движение колеблющихся тел всегда описываются уравнениями определенного типа – они так и называются – волновыми.

Когда Альберт Эйнштейн решил описать в 1916 году, что происходит с пространством и временем при перемещениях в нем массивных тел, оказалось, что некоторые из полученных уравнений имеют вид волновых, а значит и описывают они волны. Только распространяются они не в воздухе, воде или в струне, а в самом пространстве. Идеологически такое поведение ничем не запрещено: так впервые было предсказано существования гравитационных волн. Точно так же, как с понятием «волны на воде» мы связываем мелкую рябь, распространяющуюся по поверхности океана, название «гравитационной волны» мы относим к мелкой ряби, которая распространяется по пространству и времени.

Домашний детектор гравитационных волн

После появления понятия гравитационных волн ученые стали предлагать способы обнаружить их экспериментально. Из-за волнообразного искривления формы пространства-времени расстояние между двумя любыми фиксированными точками будет периодически изменяться: этот эффект мы положим в основу нашего «домашнего» детектора гравитационных волн.

Нам понадобятся: стержень и две бусинки, расположенных на одинаковом расстоянии от его центра, а самому стержню позволим стержню находиться в свободном падении в вакууме. Проходящая гравитационная волна будет толкать бусинки взад-вперед, стержень из-за трения нагреется, и мы сможем измерить изменение его температуры.

100 лет на открытие

Если все так просто, почему на открытие гравитационных волн физикам понадобилось почти сто лет? Основная трудность в том, что эффекты распространения гравитационных волн сильно малы, и даже самые современные термометры не смогут отличить, нагрелся ли наш стержень вследствие искривления пространства или из-за суточного изменения температур.

Чтобы найти способ детектирования гравитационных волн, ученым пришлось обратиться к источникам космического масштаба: астрофизическим, таким как коллапсирующие звезды, черные дыры, пульсары и сверхновые, а также системы двойных звезд. Солнечная система при этом становится удобным полигоном: Солнце относится к относительно легким звездам, и не сильно искажает пространство-время вокруг себя. Поэтому приходящие гравитационные волны практически не затухают и не изменяют свою форму.

Нобелевская премия по физике 1993 года

Об этом уже мало кто помнит, но косвенное доказательство существования гравитационных волн было получено на двадцать лет раньше действительного открытия. Астрономы Джо Тэйлор и Рассел Халсе обнаружили и наблюдали в течение 15 лет двойной радиопульсар PSR 1913+16 в обсерватории Аресибо, расположенной в Пуэрто-Рико.

Согласно общей теории относительности, два тела, вращающихся по орбите, должны излучать гравитационные волны, которые уносят энергию, из-за чего орбита должна постоянно сжиматься. Результаты эксперимента позволили рассчитать уменьшение орбиты системы PSR 1913+16, и теоретические ожидания были подтверждены с большой точностью.

Эксперимент LIGO

Однако действительная «эра» гравитационных волн началась с запуском эксперимента LIGO в 2002 году. Аббревиатура «LIGO» расшифровывается как Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория.

Принцип действия эксперимента таков: мощный лазер испускает пучок света, который затем разделяется на два, идущих под прямым углом. Каждый из пучков проходит путь в четыре километра по так называемому «плечу», отражается от зеркала и возвращается обратно. Вернувшиеся пучки складываются, а ученые с помощью законов оптики могут рассказать, одинаковое ли время понадобилось им для прохождения расстояния туда-обратно. Поскольку свет распространяется с постоянной скоростью, в обычном случае лучи действительно возвращаются в исходную точку одновременно.

За это исследование его создатели Райнер Вайсс, Барри Бариш и Кип Торн были удостоены Нобелевской премии 2017 года по физике.

Гравитационная волна, проходящая через Землю, изменит время прохождения по плечу – но только для одного из пучков. Физикам удалось использовать важное свойство колебаний пространства-времени: они относятся такому типу волн, которые не смогут действовать на оба пучка одновременно; используемое сверхточное оборудование позволяет детектировать малейшие изменения затраченного на передвижения времени.

И все-таки они существуют!

Дата 14 сентября 2015 года уже вошла в учебники по гравитации и астрономии: в этот день впервые удалось зарегистрировать сигнал от гравитационных волн, испущенных при слиянии двух черных дыр.

Данное открытие положило начало новому направлению в астрономии: наблюдению объектов по испущенным ими гравитационным волнам, для чего в будущем, несомненно, будет разработан совершенно новый вид телескопов. В настоящий момент сеть LIGO планируется расширить и создать сеть подобных обсерваторий по всей планете, а также запустить космический эксперимент, который бы позволил существенно улучшить точность результатов. В первую очередь это необходимо для теоретической физики: с помощью сигналов гравитационных волн ученые ведут поиск новых теорий гравитации и теории Великого объединения.