Гравитация и свет

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

Всякое ускоренно движущееся тело, как утверждает теория Эйнштейна, испускает гравитационные волны. Мир вокруг нас заполнен ими, и в этом факте ничего не меняет то обстоятельство, что техника сегодняшнего дня еще не справилась с обнаружением этих волн. Ведь оттого, что четыреста лет назад человек и не подозревал о существовании радиоволн, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей, они не переставали излучаться звездами, солнцем, просто земными предметами.

Нам не хватает только системы приборов, способной показать волны тяготения. Чтобы посылаемые радиостанцией электромагнитные колебания могли быть восприняты радиослушателями, их переводят в звуковые колебания. С одного «языка» техники на другой.

Гравитационные волны, говоря образно, новый незнакомый нам язык природы. Чтобы он был воспринят, надо сделать перевод, преобразование колебаний тяготения в механические или электромагнитные, например в световые. (А еще подобным научным исследованиям вовсе не помешает, например вложение денег, ведь инвестирование в науку всегда было очень перспективным).

Мне язык света кажется, во всяком случае, на первых порах, более удобным. А «переводимым текстом» могут послужить сравнительно мощные гравитационные волны, идущие к нам от рождающихся и двигающихся звезд и целых галактик.

При этом нужно использовать одно самое общее свойство, присущее гравитационной волне. Она является полем тяготения, а всякое поле тяготения влияет на распространение света. Это не только предсказано теорией относительности, но и вот уже сорок лет, как проверено на опыте и подтверждено.

Поле тяготения и перебрасывает мостик между гравитационной и световой волнами. Ведь всякое такое поле служит своего рода линзой, в которой луч света преломляется. Происходит его искривление и одновременно сдвиг фаз световой волны. Конечно, величина поля тяготения будет сравнительно мала, и искривление им луча практически заметить будет невозможно. Но вот сдвиг фаз обнаружить гораздо легче, тем более что прибор, способный отметить сдвиг фаз световой волны, уже существует. Это обычный (для физика, во всяком случае) интерферометр. В нем луч света от какого-то источника разделяется на два, проходящие разные расстояния и среды, а затем лучи совмещаются. Складываясь, оба луча дают так называемую интерференционную картину — чередования темных и светлых полос. При сдвиге фаз волны какого-либо из разделенных лучей эта картина смещается.

Теперь представим себе, что два взаимно перпендикулярных световых луча пересекутся с гравитационной волной. Всякая линза по-разному изменяет лучи, идущие через нее в разных направлениях.

Это относится и к линзе — полю тяготения. И вновь совмещенные два луча уже не совпадут полностью. Результат — смещение полос интерференционной картины. Смещение происходить будет редко — с частотой, равной частоте гравитационной волны. Но из расчетов следует, что чем меньше эта частота, тем лучше. Видимо, этим методом удастся обнаруживать волны, имеющие всего одно колебание в год, в пять, в десять, в сотню лет.

Смещение полос в интерференционной картине должно быть очень невелико, но физика владеет методами, с помощью которых можно измерять фантастически малые величины. Главная трудность не в том, чтобы заметить и измерить колебания, вызванные гравитационной волной, а в том, чтобы выделить их среди других колебаний — случайных. Всякого рода шумы заставляют интерференционную картину беспорядочно смещаться. Даже случайные колебания молекул будут вызывать смещения полос, большие, чем вызванные волнами тяготения. Нужно будет отделить «самозванцев» от истинных посланцев космоса.

Представьте себе, что вы находитесь в парке между четырьмя столбами с радиорепродукторами. По радио передается понравившаяся вам песня, и вы хотите записать слова постоянно повторяющегося припева. Это было бы не трудно, и хватило бы одного репродуктора, если бы у каждого столба не играл мощный шумовой оркестр. А теперь придется поставить у каждого столба по магнитофону, записать все звуки, а потом, сравнив четыре записи, отбросить все, что в них не совпадает, и выделить одинаковые для всех пленок слова припева. Если припев повторили не четыре или пять, а сто, тысячу раз, задача соответственно облегчается.

Ради припева никто не будет проделывать такую процедуру, но для обнаружения волн тяготения можно сделать и большее. Вместо одного интерферометра придется взять несколько и поставить их в совершенно одинаковые условия. Затем выделить колебания картин, одинаковые для всех интерферометров. Эти колебания и выдадут нам, наконец, гравитационные волны.

Перевод будет сделан — первый, приближенный, но очень важный. Важен здесь будет не только сам факт экспериментального подтверждения предсказаний Эйнштейна; волны, родившиеся при космических катастрофах, смогут сильно пополнить наши сведения об истории и строении мира.

Автор: М. Герцентшейн.