Тайны открытий XX века
Шрифт:
Подсчитано, что длина гравитационной волны, создаваемая, например, сверхновой звездой, составляет около 300 километров, а частота — порядка 1000 герц. В принципе, эти волны находятся в акустическом диапазоне, но мы не слышим их из-за их крайне малой амплитуды.
Американский инженер и физик Джозеф Уэбер из Мэрилендского университета еще в конце пятидесятых годов размышлял о том, как измерить «пространственно-временные завитки». Он же первым стал оборудовать гравитационные детекторы. В его исполнении это были алюминиевые цилиндры длиной 2 метра и диаметром 0,5 метра. Каждый из них весил одну тонну. Когда гравитационная волна пересекает подобный цилиндр, его концы сжимаются и расширяются на неимоверно малую величину. Уэбер пытался измерить эти крохотные осцилляции. Он помещал на поверхность цилиндра пьезоэлектрические кристаллы. При их растяжении или сжатии возникает электрическое напряжение. Прибор должен был его измерить. Однако ученый потерпел неудачу. Он не сумел зафиксировать эти неуловимые колебания.
Более тридцати лет назад советские ученые Герценштейн и Пустовойт, а также Райнер Вайс из Массачусеттского технологического института предложили использовать для измерения гравитационных волн лазерные интерферометры. Фиксируя разность фаз двух лазерных лучей, теоретически можно заметить деформацию пространства.
Первый опытный образец такого прибора построили в 1972 году сотрудники американской Hughes Research Laboratories; руководил ими Роберт Форвард. В восьмидесятые годы целый ряд лабораторий обзавелись лазерными интерферометрами. Они появились в Калифорнийском технологическом, в университетах Токио и Глазго, а также в мюнхенском Институте квантовой оптики.
В начале нового века были сооружены сразу четыре крупных установки, предназначенных для поиска гравитационных волн: французско-итальянский лазерный интерферометр «VIRGO» близ Пизы; длина плеча — 3 километра; германо-британский интерферометр «GEO-600» к югу от Ганновера; длина плеча — 600 метров; «ТАМА-300», интерферометр японской Национальной астрономической обсерватории, расположенный близ Токио, и самая большая установка — «LIGO», Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory в США. В состав этой обсерватории входит два интерферометра; длина плеча каждого равна четырем километрам. Эти интерферометры разделяет расстояние в три тысячи километров: один расположен далеко на западе США, в штате Вашингтон, другой — на юге, в штате Луизиана. Один принадлежит Калифорнийскому технологическому, другой — Массачусетсскому технологическому.
По словам Кипа Торна, открытие гравитационных волн «станет лучшей проверкой законов Эйнштейна и лучшим доказательством того, что черные дыры в самом деле существуют. Быть может, волны помогут также расслышать шум Большого Взрыва». Наблюдение за ними позволит заглянуть в недра сверхновых, детально изучить процессы, протекающие в двойных звездных системах в момент их слияния, а также исследовать нейтронные звезды.
Косвенным образом существование гравитационных волн уже удалось доказать. В 1993 году астрономы Рассел Хале и Джозеф Тейлор даже получили за эту работу Нобелевскую премию в области физики. За двадцать лет до этого, в 1974 году, в созвездии Орла были открыты две нейтронные звезды, вращавшиеся друг относительно друга. Удалось зафиксировать радиоизлучение, испускаемое с поразительной периодичностью одной из этих звезд — погрешность интервалов составляла всего три миллионные доли секунды. Поэтому данный пульсар, известный под названием «PSR 1913+16», можно было использовать в качестве точнейших «часов». С помощью этих «часов» впервые удалось проверить положения теории относительности, касающиеся мощных гравитационных полей. Кроме того, Ученые обнаружили, что скорость обращения этого пульсара постоянно убывает; очевидно, он излучает свою энергию в виде гравитационных волн.
Земля, кстати, тоже теряет энергию за счет излучения гравитационных волн, но ввиду того, что ее масса по космическим меркам чрезвычайно мала, мощность излучаемых ею гравитационных волн составляет всего около 200 ватт, что практически невозможно обнаружить.
Измерена скорость гравитации?
Еще один вопрос, давно волнующий ученых: «Как быстро распространяется гравитация?» В январе 2003 года на очередном заседании Американского астрономического общества было сообщено, что впервые удалось сравнительно точно определить скорость распространения гравитации. Это сделали Сергей Копейкин из Миссурийского университета и Эдвард Фомалон из Национальной радиоастрономической обсерватории США. Эксперимент был поставлен в сентябре 2002 года, когда Юпитер, самая массивная планета Солнечной системы, проходил мимо мощного источника излучения — квазара J0842+1835, расположенного в 9 миллионах световых лет от Земли. Исследователи измерили положение квазара на небе относительно двух соседних квазаров и оценили, что под действием гравитационного поля Юпитера изображение квазара смещается на 1300 миллионных долей угловой секунды. Это и позволило вычислить скорость гравитации.
По теории Ньютона, сила гравитации распространяется мгновенно, а по теории Эйнштейна — со скоростью света. «Однако до настоящего времени, — подчеркнул Сергей Копейкин, — никто не измерил этот показатель». Российский астроном М.Е. Прохоров из ГАИШ так прокомментировал разницу между этими воззрениями: «Если бы Солнце мгновенно исчезло, то, по ньютоновской теории, Земля в тот же миг покинула бы свою орбиту, а, согласно общей теории относительности Эйнштейна, около восьми минут в ее движении не происходило бы никаких изменений».
У Копейкина и Фомалона все получилось почти по Эйнштейну. Скорость гравитации оказалась примерно равной 0,95 скорости света.
Впрочем, ряд ученых не согласен с интерпретацией результатов данного эксперимента. По их мнению, Копейкин и Фомалон при выбранном ими методе не могли измерять скорость гравитации. Так, японский физик Хидэки Асада считает, что ученые, сами того не подозревая, измерили скорость света, а не гравитации. «Безусловно, изящный эксперимент еще раз подтвердил общую теорию относительности. Но удалось ли измерить скорость гравитации, остается неясным», — считает Стивен Карлип из Калифорнийского университета. Что ж, исследования, очевидно, продолжатся. Однако уже сейчас мало кто из ученых сомневается в том, что скорость гравитации равна скорости света в вакууме.
1.7. БЫСТРЕЕ СКОРОСТИ СВЕТА?
Тахионы — это гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью. По одной из гипотез, воображаемый мир тахионов располагается «параллельно» нашей реальности. По другой, в мире тахионов время течет вспять: из будущего в прошлое, и если бы мы могли наблюдать тахионы, мы предсказывали бы будущее с неотвратимой точностью. Возможно, исследование космического излучения поможет физикам XXI века определить, существуют ли тахионы.
Лежать на диване, в сумерках, с фонариком в руках и, позевывая, выводить узоры светописи на стене напротив, или мчаться в авто полутемными улицами и, выхватывая лучом фонарика что-то неясное, неотчетливое из тьмы, уноситься все дальше — нет, для физиков в том и другом опыте нет никакой разницы. Скорость света всегда одинакова — 299 792 458 метров в секунду, — движется ли источник света, или неподвижен, или — сумерки обволакивают вас, вас сковывает дремота, — медленно выскальзывает из рук, фонариком на пол.