Волны и Эйнштейн

В 2015 году научный мир отметит столетие со дня создания общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Эта теория заложила сами основы нашего понимания пространства и времени. Среди прочего, она объяснила и предсказала многие космические феномены, неизвестные тогда науке или же непонятные ей. Это и эффект гравитационных линз, то есть отклонение света близ громадных скоплений вещества (теперь мы скажем «близ галактик и черных дыр»), это и красное смещение света, вызванное мощной гравитацией, это и феномен черных дыр.
За минувшие сто лет почти все, что было предсказано Эйнштейном, удалось экспериментально подтвердить. Лишь гравитационные волны так и не были до сих пор обнаружены. Они оставались последним несбывшимся прогнозом Эйнштейна.
И все же, незримые, не найденные никем, они давно самовольно нахлынули на мир физики, стали привычным элементом ряда научных теорий. По Эйнштейну, они возникают при ускоренном движении громадных масс вещества, – например, при взрывах сверхновых звезд и слиянии двойных звезд. Часть выделяющейся при этом энергии уносят с собой гравитационные волны. Они возникают также при столкновении галактик или падении крупных объектов в недра черной дыры. Их порождает и столкновение черных дыр. Расчеты показывают, что после такой сшибки черные дыры теряют до 40% своей массы, излученной в виде гравитационных волн.
В классической механике Ньютона ни о каких «волнах гравитации» нет и речи. Эйнштейну пришлось переосмыслить само понятие гравитации, чтобы заговорить о них. Согласно общей теории относительности, гравитация являет собой искривление пространства. Близ любого массивного тела окружающее его пространство деформируется. Но эту деформацию нельзя представлять себе только лишь в виде неподвижной «вмятины», получаемой пространством, – наподобие той вмятины, что образуется в листе жести, если с силой бросить в него камень. Нет, тут уместно и другое сравнение. Если тот же камень бросить в воду, то во все стороны от него разойдутся круги – волны, вызванные падением камня. Точно такие же волны – только гравитационные – расходятся во все стороны от ускоренно движущихся массивных тел.
Тот же удачно выхваченный, как камешек из-под ног, пример помогает понять и важную особенность гравитационных волн. Если наш воображаемый камень вызывает мельтешение волн только упав в воду, то гравитационные волны могут распространяться и в абсолютно пустом пространстве. Это – волны, сотрясающие само пространство-время. Они пронизывают его, словно сейсмические волны – Землю. Они пробегают с одного конца галактики на другой, и вся толща вещества, сквозь которую они пробиваются, не способна их ослабить. «Под действием гравитационных волн вещество, лежащее на их пути, – поясняет американский физик Кип Торн, – поочередно растягивается и сжимается в направлении, перпендикулярном оси, вдоль которой распространяются эти волны».
На самом деле, подобные растяжения и сжатия минимальны. Мы не замечаем их. Насколько легко гравитационные волны проникают в научные гипотезы, настолько же легко они исчезают, стоит лишь попытаться увидеть их наяву. Какие бы эксперименты до сих пор ни ставили ученые, им так и не удалось разглядеть эти волны. Их амплитуда чрезвычайно мала. По этой причине Эйнштейн писал, что «гравитационные волны, вероятно, никогда не удастся наблюдать».
Вот простой пример, подтверждающий это. Допустим, в центре нашей Галактики, то есть сравнительно близко от нас, слились две нейтронные звезды. Поток гравитационных волн, вырвавшийся из очага катастрофы, возвестил об этом событии. Расчеты показывают, что энергия этих волн должна в тысячи раз превышать энергию излучения Солнца. Однако даже такой мощный выплеск энергии ускользнул бы от внимания точнейших приборов. Ведь «содрогнувшись» от гравитационной волны, пронесшейся по ней, Галактика хоть и сожмется, но при этом любой ее объект длиной, скажем, в один километр станет короче всего лишь на 10–15 метра. Это в сто тысяч раз меньше диаметра атома водорода. Понятно, что зафиксировать такую величину невероятно трудно – тем более что свои помехи вносит микросейсмическая активность земных недр. Еще недавно подобную точность измерений и вовсе считали недостижимой.
Что еще мы знаем об этих волнах? Из общей теории относительности следует, что любые изменения в гравитационном поле происходят отнюдь не мгновенно, как в механике Ньютона, а распространяются со скоростью света, подобно электромагнитным волнам. Тем не менее, гравитационные волны принципиально отличны от электромагнитных. Последние позволяют описать свойства видимого нами вещества. Но его доля в мироздании не превышает пяти процентов. Гравитационные волны, как полагают ученые, могут быть вестницами темного вещества, в основном и заполняющего космос. Ведь только сила гравитации выдает присутствие темного вещества во Вселенной.

см. ниже...

Волны и реликтовое излучение

Среди тех, кто занимался поиском, была коллаборация BICEP2 (ее возглавлял Джон Ковач из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики). Ее главным орудием стал микроволновый телескоп BICEP2, размещенный на Южном полюсе, в районе американской станции Амундсен-Скотт, на высоте почти 3000 метров над уровнем моря, там, где атмосферный воздух уже заметно разрежен. Температура детекторов телескопа была лишь на 0,25 градуса выше абсолютного нуля. Это обеспечило его высокую чувствительность. В общей сложности он был оснащен 512 детекторами (к слову, уже намечен и новый эксперимент – BICEP3; там число детекторов возрастет до 2560).
Телескоп BICEP2 не случайно был установлен в Антарктиде, ведь для астрономов этот континент, прежде всего, пустыня и уж потом, во вторую очередь, снежная пустыня. Влажность воздуха, то есть количество водяных паров, содержащихся в атмосфере и поглощающих микроволновое излучение, здесь необычайно мала, а потому ничто не мешает астрономам вести наблюдение за отдаленными уголками мироздания. Кроме того, Антарктида почти не населена людьми. Поэтому здесь нет мощного электромагнитного фона, создаваемого человеком в других районах планеты.
Благодаря уникальным условиям наблюдения ученым удалось выявить неразличимые прежде особенности космического фонового, или реликтового, излучения. Оно возникло через 380 тысяч лет после того, как родилась Вселенная. Его нередко называют «эхом Большого Взрыва». Это излучение, словно фотографическая картина, запечатлело события, происходившие в ранний период истории Вселенной. Это – самый древний свет, вспыхнувший в мироздании.
До его появления Вселенная была настолько плотной, что электромагнитное излучение (в том числе световое) не могло распространяться в ней. Оно рассеивалось на теснившихся всюду элементарных частицах. Лишь когда Вселенная остыла так сильно, что электроны и протоны, мешавшие прежде распространению света, соединились, образовав атомы нейтрального водорода, она сразу стала прозрачной. Ее залило светом.
Космическое фоновое излучение распределялось вовсе не равномерно. Присутствующие в нем крохотные неоднородности свидетельствовали о перепадах в температуре излучения. Объяснились они тем, что у Вселенной давно сложилась своя четкая структура.
Из-за квантовых флуктуаций Вселенная была неоднородна еще перед началом инфляции. После ее мгновенного расширения эти неоднородности разрослись до космических масштабов. Там, где плотность энергии была выше, сосредоточивалось и все больше вещества, образовывались его сгустки. Они задали будущую структуру мироздания, стали основой галактик и галактических скоплений, явились центрами их конденсации. Космическое фоновое излучение запечатлело эту структуру.
Вселенная продолжала расширяться и после того, как в ней вспыхнул свет. Растягивалось само ее пространство-время, а потому длина волны реликтового излучения неуклонно менялась. В конце концов, это излучение сместилось в микроволновый диапазон. Его, кстати, можно увидеть даже с помощью обычного телевизора. Когда в ночь с понедельника на вторник телевидение в Москве и Московской области на несколько часов прекращает работу и опустевшие экраны телеприемников заполняет так называемый «снег», то есть всевозможные помехи, то около одного процента этого «снега» создается тем самым реликтовым излучением – изрядно постаревшим первым светом во Вселенной.
По общепринятой теории, в поляризационном узоре этого излучения должны были оставить свой след гравитационные волны, возникшие на стадии инфляционного расширения Вселенной. Ведь из-за них, несомненно, изменилось направление колебаний световых волн – того первого света, что озарил мироздание.
Таким образом, чтобы доказать, что гравитационные волны есть, ученым надо было отыскать характерный тип поляризации. Это – так называемая поляризация B-мода. Он возник потому, что первые световые волны должны были колебаться в определенном направлении из-за того, что само пространство Вселенной было деформировано первичными гравитационными волнами.
На протяжении нескольких лет члены коллаборации BICEP2 вели наблюдение за крохотным участком неба, занимавшим всего 2% площади небесного свода. В этом проекте, помимо alma mater Ковача, участвовали ученые из Миннесотского университета, Стэнфордского университета и Калифорнийского технологического института, а также специалисты НАСА.

см. ниже...

Волны и квантовая гравитация

Открытие гравитационных волн стало удивительным прорывом в космологии, поставило ее на твердую основу. Ее важнейшая гипотеза – идея инфляции – наконец, доказана. Заимствуем у математиков их символ трудности и скажем: «Доказана “теорема Ферма” космологии».
Но вот что особенно любопытно! Инфляция – это квантовый феномен, в то время как гравитационные волны еще принадлежат к классической физике. Значит, в происходившем тогда соединились обе части нашего физического мира – мир квантовой физики и мир гравитации. Возможно, ученым впервые удалось доказать, что сила гравитации, как и все остальные фундаментальные взаимодействия, имеет квантовую природу.
Таким образом, гравитационные волны могут стать тем – зыбким пока еще – мостиком, который соединит два разных столпа современной физической науки: квантовую механику, а также общую теорию относительности. Со временем два этих столпа должен увенчать единый свод – «теория всего».
Возможно (в этом уверены многие физики), таким сводом станет теория квантовой гравитации (см. Главную тему «З–С», 11/05). Ведь гравитационные волны, эта «дрожь пространства-времени», порождены, в конце концов, квантово-механическими причинами. Они вызваны квантовыми флуктуациями гравитационного поля, то есть гипотетическими частицами гравитации – гравитонами (см. «Новости науки», «З–С», 2/14).
Теорию квантовой гравитации любят называть «теорией всего», «единой формулой мироздания». Впрочем, эта теория (точнее, множество разных моделей квантовой гравитации) существует лишь на бумаге. Теперь же, как никогда прежде, ученые ощутили, насколько реалистична идея квантовой гравитации. В интервью журналу Nature известный космолог Макс Тегмарк из Массачусетсского технологического института отметил, что, «пожалуй, впервые квантовая гравитация хоть как-то проявила себя в эксперименте». Ей предстоит стать основой физики будущего. И очень важно, что уже сейчас мы можем проверить экспериментальным путем некоторые следствия, вытекающие из теории квантовой гравитации. Это позволит выбрать, наконец, одну-единственную модель из многих предложенных.
В ближайшее время полученные результаты должны пройти еще одну проверку. Космический зонд «Планк» – в прошлом году он уже составил наиболее точную карту космического фонового излучения (см. «З–С», 9/13) – еще раз исследует поляризацию этого излучения. Преимущество зонда в том, что он ведет наблюдение за всем небосводом, а не за крохотным его сектором, как телескоп BICEP2. Кроме того, зонд «Планк» работает в более широком диапазоне частот.
Собранные им данные будут обнародованы ближе к концу года. Но уже сейчас многие физики уверены в том, что их коллегам удалось увидеть след гравитационной волны. «Это совершенно новое, независимое космологическое свидетельство того, что идея инфляция верна», – так прокомментировал открытие «отец космической инфляции», Алан Гут. Андрей Линде, работающий сейчас в Стэнфордском университете, заявил, что «мы достигли глубочайшего понимания природы нашей Вселенной». Еще один известный теоретик, Ави Леб из Гарвардского университета, сказал: «Это открытие побуждает нас заново осмыслить основополагающие вопросы: «Как родилась наша Вселенная? Почему мы существуем?» Наконец, Марк Каменковски из университета Джона Хопкинса назвал это открытие «одним из крупнейших открытий века».

см. ниже...

Большой взрыв, инфляция, гравитационные волны: Что все это означает?

В понедельник, астрономы объявили об историческом открытии. Оставившие глубокий след в реликтовом излучении, которое пронизывает всю Вселенную и было создано еще на заре времени, гравитационные волны были под непосредственным наблюдением, давая нам возможность заглянуть в саму природу инфляционного периода, который предполагает быстрый рост нашей Вселенной сразу после Большого взрыва.
Поиск дополнительных данных в пользу теории космической инфляции должно было стать достаточным открытием, но тот факт, что теперь астрономы имеют доказательства в пользу существования гравитационных волн, делает этот День Святого Патрика особенным днем для космологии.
Так что же это такое, гравитационные волны? Их можно представить в виде ряби в пространстве-времени, которые генерируют движения нечто массивного через пространство. Представьте себе, что вы бросили мяч в бассейн. Рябь, созданная ударом мяча о воду, будет распространяться от точки удара в разные стороны. Гравитационные волны действую таким же образом, но, в отличие от ряби на поверхности воды, гравитационные волны распространяются со  скоростью света через трехмерное пространство.
Уравнение теории общей относительности Альберта Эйнштейна прогнозировало их существование. Помимо этого имелись некоторые косвенные данные наблюдений гравитационных волн, вымывающих орбитальную энергию из двойных звездных систем. Так как мы представляем собой пространственно-временные объекты, мы также должны быть в состоянии обнаружить их присутствие, поскольку они проходят через местное пространство-время. Многомиллионные эксперименты, такие как лазерный интерферометр гравитационных волн обсерватории (LIGO) в Луизиане и Вашингтоне были построены для непосредственного обнаружения гравитационных волн, распространяющихся через Землю. Тем не менее, их обнаружение до сих пор оказалась удручающе призрачным.

см. ниже...