Эйнштейн был прав или Всё, что вам нужно знать об открытии гравитационных волн

Эйнштейн был прав или Всё, что вам нужно знать об открытии гравитационных волн

Фото: popsci.com

Научный мир пребывает в радостном возбуждении: вслед за открытием бозона Хиггса, новейшая история физики пополнилась еще одним достижением. Открытие учеными гравитационных волн подтвердили теоретические выкладки Эйнштейна, сделанные им почти сто лет назад. Разбираемся, что же это такое и почему это так важно.

1

Что случилось?

14 сентября 2015 года, в 13:51 по московскому времени зеркала гравитационных телескопов возле американских городов Ливингстона и Хэнфорда зафиксировали гравитационную волну, которая возникла 1,3 миллиарда лет назад вследствие предельного сближения и слияния двух черных дыр на расстоянии около 50 миллионов световых лет от Земли. Вес черных дыр колоссальный: одна – в 29 Солнц, а другая – в 36. Через 20 миллисекунд после сближения они сливаются в одну большую черную дыру, в результате чего выделившаяся при столкновении избыточная энергия волнами колеблет пространство-время.
 

2

Гравитационные волны?

Чтобы понять, что такое гравитационные волны, нужно представить себе кусок натянутой ткани, на который поочередно кладут несколько камней разного веса. Камень продавливает ткань – чем тяжелее, тем сильнее. В космическом масштабе роль камня может сыграть черная дыра (целых две, в нашем случае). Такие массивные объекты продавливают ткань пространства-времени, из которой и состоит наш мир. Ткань колеблется, появляются волны, очень слабые, и по этой причине почти не поддающиеся для обнаружения. Первым к идее существования гравитационных волн пришел Альберт Эйнштейн, выразивший ее в своей теории относительности.
 

3

Попытки обнаружения: неудачные…

Попытки были, и неоднократные. Здесь первенство держит физический факультет МГУ: еще в 70-е годы в группе под руководством профессора Владимира Брагинского проводились эксперименты по фиксации подобных волн. К сожалению, ничего кроме сейсмического шума от трамваев, заходивших в соседнее депо прибор не улавливал. Эксперимент провалился.
В 2015 году исследователи из международной коллаборации BICEP заявили о неопровержимых следах гравитационных волн в реликтовом излучении, сохранившемся с первых мгновений после Большого взрыва. Но вскоре и эта попытка оказалась плачевной: в ходе обработки данных ученые не приняли во внимание космическую пыль.

 

4

…и удачные

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — это обсерватория, созданная на основе международного сотрудничества. Коллектив обсерватории состоит из ученых 14 стран. Россия в LIGO представлена двумя коллективами: группа из Нижнего Новгорода, возглавляемая Александром Сергеевым из Института прикладной физики РАН и группа из Москвы, возглавляемая профессором физического факультета МГУ Валерием Митрофановым (до недавнего времени – Владимиром Брагинским). LIGO начала работу в 2002 году, но уже в 2010 закрылась на модернизацию ввиду недостаточной мощности. Лаборатория была открыта в 2014 году, получив в свое распоряжение намного более совершенную технику. Стоимость всего проекта – 620 миллионов долларов, причем следует отметить, что инвесторы не были уверены в успехе проекта.
Основа LIGO – это детектор и два интерферометра: один находится в Ливингстоне (штат Луизиана, США), а другой — в Хэнфорде (штат Вашингтон, США). Гравитационные волны распространяются со скоростью света, и поэтому сигнал пришел на них лишь с небольшой задержкой в 10 миллисекунд.
Интерферометры – большие Г-образные антенны с плечами по четыре километра. Внутри у них собраны оптические схемы высокой добротности (то есть с низким уровнем посторонних шумов), в которые запускаются лазерные пучки. Под действием гравитационной волны одно плечо должно сжаться, а другое, наоборот, растянуться. В результате лазерные пучки проходят по плечам немного разное расстояние и к выходу добираются с небольшим зазором между собой. Выйдя, они снова собираются вместе и формируют интерференционную картину, по характеристикам которой можно восстановить, как менялись плечи антенны, и какова была та гравитационная волна, которая все это вызвала.

 

5

Заслуги российских ученых

Они значительны. Наши соотечественники разрабатывали конструкцию телескопа (например, именно от российских физиков поступило предложение использовать кварцевые шумопоглощающие нити для подвешивания зеркал).
Директор обсерватории, почетный профессор Калифорнийского технического института Кип Торн признал особый вклад наших физиков. Благодаря Владимиру Брагинскому был найден оптимальный путь поиска гравитационных волн (смог доказать, что именно черные дыры являются источниками подобного излучения).

 

6

Последствия открытия

Во-первых, это новая веха в наблюдении космоса, сравнить которую можно с изобретением радиотелескопа. В перспективе – разработка и вывод на орбиту космического гравитационного телескопа, который поможет находить точные координаты источников волн.
Во-вторых, ученые смогут обратить пристальное внимание на реликтовые гравитационные волны, появившиеся после Большого взрыва и тем самым узнать больше подробностей о нем самом.
В-третьих, открытие поспособствует развитию теории квантовой гравитации, позволяющей непротиворечиво описать все типы физического взаимодействия.

 


Источники

  • http://tass.ru/nauka/2660918
  • http://tass.ru/nauka/2658212
  • http://chrdk.ru/sci/2016/2/12/phiziki_nashli_gravtatsionnye_volny/
  • http://hi-news.ru/research-development/shest-voprosov-na-kotorye-mogut-otvetit-gravitacionnye-volny.html