Сапфир для волны

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

О гравитационных волнах писали немало. Но до сих пор обнаружить их не удается, наоборот, оказывается, что дело еще более сложное, чем предполагалось. Чтобы добраться до этих самых волн, физики идут на всевозможные ухищрения, порой открывая новые области науки.

Но прежде поясним, почему так неуловимы гравитационные волны. В принципе, любое движение массивного тела, даже в лаборатории, приводит к возникновению гравитационных волн. Но из-за крайне малого значения ньютоновской постоянной их величина ничтожна. Например, при взрыве атомной бомбы мощностью в семнадцать килотонн поток гравитационной радиации достигнет лишь тысячной доли эрга в секунду.

В космосе же могут происходить катаклизмы колоссальных масштабов. Взрывы звезд или, наоборот, их гравитационный коллапс порождают гигантские вспышки излучения — до 10⁵⁴ эрг. До Земли же может доходить поток волн с энергией 10⁴ эрг на квадратный сантиметр. Если взять две массы на расстоянии метра друг от друга, то на гравитационной волне они будут «покачиваться» с амплитудой 10^~19—10^~17 сантиметра. Вот такие сверхмалые расстояния и предстоит зарегистрировать. Напомним, что характерный размер атома — 10^-8, а атомного ядра — 10^{-12 см.}

Даже трудно вообразить себе, как измерить столь малые перемещения, ведь все атомы любого вещества находятся в тепловом движении и размах его гораздо больше, чем те миллимиллимикроны, которые надо зарегистрировать. Приходится охлаждать антенну до температуры, близкой к абсолютному нулю,— так делают экспериментаторы из американской лаборатории Стэнфордского университета. Но можно пойти и другим путем. В колебаниях есть такая важная величина, как добротность. Она характеризует, грубо говоря, время, которое антенна «помнит» пришедшее излучение. Вот, например, чем дольше слышен звук колокола после удара по нему, тем выше его добротность.

Колокол — антенна из сапфира после «удара» гравитационной волны будет долго колебаться, и это периодическое колебание можно будет заметить на фоне хаотических тепловых толчков.

Но сложности на этом не кончаются. Чтобы зафиксировать малейшие перемещения, торец антенны сделан пластиной конденсатора. Как известно, емкость конденсатора зависит от зазора между пластинами. Если пластина-торец начнет колебаться от гравитационной волны, этот сигнал будет зафиксирован электроникой. Для регистрации таких мельчайших сигналов пришлось разрабатывать специальные электронные устройства. Сейчас эта проблема решена, и аппаратура позволяет регистрировать смещения 10^-17 сантиметра.

И все еще остается немало проблем. Ученые занимаются вопросом изоляции антенны от колебаний нашей планеты. Не менее важны надежная теплоизоляция и охлаждение. Наступление на гравитационные волны ведется широким фронтом, и можно надеяться, что оно увенчается успехом.