Группа ученых из Стэнфордского университета предложила новый, более чувствительный по сравнению с прежними, метод обнаружения гравитационных волн, существование которых Эйнштейн предсказал почти сто лет назад. Этот метод может помочь ответить на самые фундаментальные вопросы об устройстве мира.
Почти сто лет назад Альберт Эйнштейн представил свою великую теорию гравитации, известную теперь как Общая теория относительности. Согласно этой теории, ставшей общепринятой, крупные тела своей массой искривляют окружающее их пространство, что проявляется как гравитация. Теория относительности подразумевает существование гравитационных волн, которые распространяются в пространстве и представляют собой последовательность растяжений и сжатий пространства, как, например, волны на воде – чередующиеся горбы и впадины.
Гравитационные волны, однако, очень слабы, и поэтому прямо обнаружить их пока не удалось. В опубликованной только что работе ученые предлагают
новый способ сделать это. Их идея – пустить лазерный луч по длинному, в несколько километров, каналу, отразив его затем назад. Когда сквозь этот канал пройдет достаточно сильная волна гравитации, например, от взрыва не очень далекой сверхновой, его длина сначала немного увеличится, а затем немного уменьшится. В результате лазерный луч будет идти то чуть дольше, то чуть быстрее. Эти изменения во времени путешествия лазерного луча позволит засечь сверхточный секундомер, основанный на использовании специально подготовленной группы атомов.
Предлагаемая идея не совсем нова. Существующие сейчас детекторы гравитационных волн, в частности проект LIGO, используют похожий метод. В них два лазерных луча пускаются по двум четырехкилометровым трубам, а затем сравниваются между собой. В норме они совпадают. Если же одна из труб при проходе волны гравитации становится чуть длиннее или чуть короче, то один лазерный луч сдвигается относительно другого, и это регистрируется специальными приборами.
Проблема в том, что в процессе распространения лазерные импульсы искажаются, появляется шум, и точность измерения снижается. Новый метод избавлен от этих проблем, поскольку зависит только от скорости распространения импульса, которая всегда равна скорости света, вне зависимости от того, как меняется импульс.
Главная сложность – слабость гравитационных волн: даже самые чувствительные приборы смогут засечь волны только от грандиозных космических событий. Но такие события очень редки, и их приходится ждать по несколько лет.
Ученые, однако, не сомневаются в существовании гравитационных волн. Оно подтверждается многочисленными косвенными признаками. Одно из самых наглядных и твердо установленных подтверждений – зафиксированное сближение двух звезд, вращающихся друг вокруг друга на близком расстоянии.
Представьте, что вы кинули в воду поплавок. Он начинает колебаться вверх-вниз, а от него бегут во все стороны волны. Через некоторое время поплавок останавливается. В этом случае говорят, что энергия его колебаний перешла в энергию волн. Нечто аналогичное происходит и в двойных звездных системах. Вращаясь друг вокруг друга, они возмущают окружающее пространство и излучают гравитационные волны. Это приводит к тому, что их собственная энергия уменьшается, и они начинают притормаживать, в результате чего происходит сближение вплоть до полного падения более легкого тела на поверхность более тяжелого. Это сближение можно заметить современными астрономическими приборами.
Именно таким способом теория гравитации Эйнштейна совсем недавно получила свое наиболее точное на сегодняшний день подтверждение. Канадские астрономы вначале обнаружили нейтронную звезду, которая оказалась самой массивной из всех известных нейтронных звезд. А затем разглядели еще и белого карлика, вращающегося вокруг этой нейтронной звезды на расстоянии чуть меньше удвоенного расстояния от Земли до Луны. Как установили ученые, полный оборот эта система делает всего за два с половиной часа.
Наблюдая за системой в течение двух лет, астрономы определили, что период обращения звезд медленно уменьшается – приблизительно на 8 миллионных секунды каждый год. Определив также и массы звезд (у нейтронной звезды она оказалась в два раза больше, чем у Солнца, а у карлика – в десять раз меньше), ученые показали, что полученный результат с высокой точностью совпадает с предсказаниями теории Эйнштейна.
Экспериментальное обнаружение гравитационных волн позволит проверить состоятельность Общей теории относительности. Известно, что она должна оказаться неполной, поскольку противоречит другой важной теории – квантовой механике, хорошо описывающей происходящее в мире на уровне атомов и элементарных частиц. Однако пока что ученые не смогли дойти до той грани, где была бы заметна эта неполнота. Голубой мечтой теоретической физики является построения общей теории всего, которая объединяла бы в себе как гравитацию, так и физику атомного мира, и прямое обнаружение волн гравитации может приблизить ученых к достижению этой цели.
Почти сто лет назад Альберт Эйнштейн представил свою великую теорию гравитации, известную теперь как Общая теория относительности. Согласно этой теории, ставшей общепринятой, крупные тела своей массой искривляют окружающее их пространство, что проявляется как гравитация. Теория относительности подразумевает существование гравитационных волн, которые распространяются в пространстве и представляют собой последовательность растяжений и сжатий пространства, как, например, волны на воде – чередующиеся горбы и впадины.
Гравитационные волны, однако, очень слабы, и поэтому прямо обнаружить их пока не удалось. В опубликованной только что работе ученые предлагают
новый способ сделать это. Их идея – пустить лазерный луч по длинному, в несколько километров, каналу, отразив его затем назад. Когда сквозь этот канал пройдет достаточно сильная волна гравитации, например, от взрыва не очень далекой сверхновой, его длина сначала немного увеличится, а затем немного уменьшится. В результате лазерный луч будет идти то чуть дольше, то чуть быстрее. Эти изменения во времени путешествия лазерного луча позволит засечь сверхточный секундомер, основанный на использовании специально подготовленной группы атомов.
Предлагаемая идея не совсем нова. Существующие сейчас детекторы гравитационных волн, в частности проект LIGO, используют похожий метод. В них два лазерных луча пускаются по двум четырехкилометровым трубам, а затем сравниваются между собой. В норме они совпадают. Если же одна из труб при проходе волны гравитации становится чуть длиннее или чуть короче, то один лазерный луч сдвигается относительно другого, и это регистрируется специальными приборами.
Проблема в том, что в процессе распространения лазерные импульсы искажаются, появляется шум, и точность измерения снижается. Новый метод избавлен от этих проблем, поскольку зависит только от скорости распространения импульса, которая всегда равна скорости света, вне зависимости от того, как меняется импульс.
Главная сложность – слабость гравитационных волн: даже самые чувствительные приборы смогут засечь волны только от грандиозных космических событий. Но такие события очень редки, и их приходится ждать по несколько лет.
Ученые, однако, не сомневаются в существовании гравитационных волн. Оно подтверждается многочисленными косвенными признаками. Одно из самых наглядных и твердо установленных подтверждений – зафиксированное сближение двух звезд, вращающихся друг вокруг друга на близком расстоянии.
Представьте, что вы кинули в воду поплавок. Он начинает колебаться вверх-вниз, а от него бегут во все стороны волны. Через некоторое время поплавок останавливается. В этом случае говорят, что энергия его колебаний перешла в энергию волн. Нечто аналогичное происходит и в двойных звездных системах. Вращаясь друг вокруг друга, они возмущают окружающее пространство и излучают гравитационные волны. Это приводит к тому, что их собственная энергия уменьшается, и они начинают притормаживать, в результате чего происходит сближение вплоть до полного падения более легкого тела на поверхность более тяжелого. Это сближение можно заметить современными астрономическими приборами.
Именно таким способом теория гравитации Эйнштейна совсем недавно получила свое наиболее точное на сегодняшний день подтверждение. Канадские астрономы вначале обнаружили нейтронную звезду, которая оказалась самой массивной из всех известных нейтронных звезд. А затем разглядели еще и белого карлика, вращающегося вокруг этой нейтронной звезды на расстоянии чуть меньше удвоенного расстояния от Земли до Луны. Как установили ученые, полный оборот эта система делает всего за два с половиной часа.
Наблюдая за системой в течение двух лет, астрономы определили, что период обращения звезд медленно уменьшается – приблизительно на 8 миллионных секунды каждый год. Определив также и массы звезд (у нейтронной звезды она оказалась в два раза больше, чем у Солнца, а у карлика – в десять раз меньше), ученые показали, что полученный результат с высокой точностью совпадает с предсказаниями теории Эйнштейна.
Экспериментальное обнаружение гравитационных волн позволит проверить состоятельность Общей теории относительности. Известно, что она должна оказаться неполной, поскольку противоречит другой важной теории – квантовой механике, хорошо описывающей происходящее в мире на уровне атомов и элементарных частиц. Однако пока что ученые не смогли дойти до той грани, где была бы заметна эта неполнота. Голубой мечтой теоретической физики является построения общей теории всего, которая объединяла бы в себе как гравитацию, так и физику атомного мира, и прямое обнаружение волн гравитации может приблизить ученых к достижению этой цели.
