Прибой гравитационных волн
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
Кому не доводилось смотреть на речные или морские — механические волны? Электромагнитные волны невидимы, но известно, что и радио и телевидением мы обязаны именно им. А вот о гравитационных волнах приходилось разве что слышать, хотя в них нет ничего экстраординарного: электромагнитные волны возникают при движении электрических зарядов, а при перемещении масс вещества должны появляться гравитационные. Их существование с необходимостью следует из теории Эйнштейна. Разница лишь в том, что силы гравитации на тридцать девять порядков слабее электрических, поэтому гравитационные волны крайне сложно обнаружить.
Первым попыткам их поиска более 50 лет. Американский ученый Вебер сделал две специальные антенны — огромные цилиндрические болванки в несколько тонн весом. Расположив их на расстоянии в тысячу километров друг от друга, он хотел регистрировать волны от космических катаклизмов: рождения сверхновых, коллапсирующих звезд, падения вещества на поверхность «черных дыр». Все земные явления и даже события в солнечной системе рождают совершенно ничтожные волны, и зарегистрировать их антеннами нет никакой возможности. Волны, приходящие от космических источников, должны деформировать антенны, причем не больше, чем на одну миллионномиллиардную долю сантиметра. Это все равно, что измерять расстояние до Солнца с точностью лезвия бритвы.
В начале шестидесятых годов прошлого века Вебер объявил о том, что он «засек» гравитационные волны. Но его опыт повторили в США, Англии, Италии, Германии — эффекта не было. Может быть, результаты Вебера — не искомые волны, а что-то иное, какие-то неучтенные флуктуации?
Антенны, а их теперь создано более двадцати, изготавливают из очень твердых веществ, например сапфира или корунда. Во время опыта они содержатся при температуре около абсолютного нуля. Вес достигает пяти тонн. С помощью всевозможных ухищрений удалось понизить порог чувствительности до 10-17 сантиметра.
В Германии и США также строятся и другие установки для регистрации волн от космических источников: очень чуткие интерферометры, в которых складываются два луча. Прохождение гравитационной волны должно сместить интерференционную картину. На основе лазеров с огромными базами эти приборы смогут превзойти чувствительность антенн еще в тысячу раз. Они, правда, еще не работают.
Есть и проекты запуска спутников — по колебаниям орбиты, может быть, удастся почувствовать гравитационные волны. Но пока результатов-то нет! А последнее время интерес к гравитации заметно возрос в связи с попытками включения ее в схему единых теорий взаимодействия.
Впрочем, физики предлагают и принципиально иную постановку опыта: и источник, и приемник сделать в лаборатории. Полная аналогия с опытами Герца, в которых было зарегистрировано распространение электромагнитных волн. Но ведь волны от земных источников, как говорилось, крайне слабы! Все дело в явлении их резонансного усиления. Представьте себе длинную цепочку атомов. Если их раскачать, каждый будет испускать гравитационные волны. Так вот задача — раскачивать атомы по очереди, чтобы испускаемые волны складывались, усиливаясь. Это «поручено» специально организованной интерференционной волне от двух лазеров. Она бежит вдоль ряда атомов, включая в работу все новые и новые излучатели, и гравитационные волны от каждого налагаются друг на друга, усиливая эффект.
Излучателями будут атомы водорода, замороженные до четырех градусов Кельвина — чтобы их тепловое движение не помешало ходу эксперимента. Помещены они в цилиндр диаметром три сантиметра и длиной — метр. Гравитационные волны, выходящие из него, регистрируют тоже необычным образом: их сталкивают с тем же лазерным пучком, и они как бы выбивают из этого пучка фотоны. Исследователи собираются фиксировать около сотни фотонов, рассеянных гравитационной волной. Им предстоит преодолеть множество экспериментальных сложностей, в основном связанных с помехами от других источников фотонов.
Несмотря на очень большие трудности, работа идет с энтузиазмом, потому что ее результат может стать одним из важнейших: если не удастся зарегистрировать гравитационные волны, значит, под сомнением общая теория относительности, а если они будут обнаружены — это станет сильнейшим аргументом в ее пользу.
Автор: С. Андреев.