Волны тяготения – существуют ли они?
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
Проблема гравитационных волн все больше и больше привлекает внимание ученых. Но в отличие от атомной физики, исследования космических лучей и ряда других разделов нашей науки в изучении волн гравитации мы еще только подходим к экспериментальным исследованиям. Старая ньютоновская теория была лишь своего рода «гравистатикой»; она рассматривала поле тяготения как нечто застывшее. Подобно этому в электростатистике рассматриваются только покоящийся электрический заряд и постоянное электрическое поле. Однако и великий Ньютон мучился, пытаясь установить, как же тяготение передается через пространство, от Солнца — к Земле. После него Ломоносов, Эйлер и Лесаж в XVIII веке, затем Жуковский и Бьеркнес в XIX столетии и многие другие корифеи науки стремились разрешить эту загадку. Но их усилия неизменно заканчивались неудачей.
К началу XX века физики навели порядок во многих областях своего хозяйства. Им удалось объединять даже такие на первый взгляд разнородные явления, как свет, магнетизм и электричество. Выяснилось, что все это проявления единого электромагнитного поля. Тепловые явления удалось объяснить хаотическими движениями частиц и волн. А тяготение все еще упорно оставалось «вещью в себе».
Лишь к 1916 году решающий шаг в его понимании сделал А. Эйнштейн, который установил тесную связь гравитации с пространством и временем. Неожиданным, поразительнейшим образом гравитация оказалась связанной с искривлением пространства (и времени)!
Это довольно трудно представить себе наглядно, хотя и можно пояснить грубыми примерами. Нам ведь не раз случалось встречать самые обыкновенные овраги. Хорошо бы такой овраг перешагнуть прямым путем — по прямой линии, но он слишком широк для этого. Приходится опуститься и снова подняться, стараясь двигаться по кратчайшей («геодезической») линии, которая уже будет кривой. Пространство, в котором проявляется поле тяготения, грубо говоря, сплошь изрыто оврагами, и все тела в нем вынуждены двигаться не по прямым, а кривым, но кратчайшим линиям. Например, Солнце искривляет («прогибает») вокруг себя пространство, и планеты обращаются вокруг него по эллипсам.
Теоретические выводы Эйнштейна были подтверждены прямыми астрономическими наблюдениями, а затем и физическими опытами. Но на практике новая теория гравитации не нашла еще себе применения. Зато произведенный ею переворот в наших воззрениях был поистине радикален.
Пространство оказалось не пустой сценой, на которой выступают звезды, планеты и другие космические «действующие лица». Выяснилось, что оно обладает физическими свойствами, взаимодействует с обычной материей (то есть звездами, планетами, атомами, элементарными частицами и т. д.) и изменяется, искривляется под ее влиянием.
По всей видимости, надежды на открытие новых эффектов и более реальные применения теории гравитации не являются беспочвенными, и ныне для эйнштейновской теории гравитации наступает время покинуть свою «башню из слоновой кости» и шагнуть в жизнь. Вся современная физика характеризуется тем, что ее открытия быстро перерастают в технические достижения. Интерес к проблемам гравитации, пространства, времени необычайно возрос в связи с изумительными запусками спутников и космическими полетами.
МЕЖДУ МАКСВЕЛЛОМ И ГЕРЦЕМ
Но… сначала все-таки нужно сделать открытие. В первую очередь речь идет о гравитационных волнах.
Оказывается, при некоторых условиях поле тяготения может частично как бы отрываться от породивших его тел и излучаться в пространство в виде волн. Например, такие волны должно излучать любое достаточно массивное тело, испытывающее колебания. Старый, долго волновавший физику вопрос о том, возможны ли мгновенные передачи взаимодействия, был решен наукой отрицательно. Самые быстрые из возможных взаимодействий происходят «всего лишь» со скоростью света (то есть 300 000 километров в секунду). Это касается и гравитации.
Но само поле тяготения непосредственно связано, как мы говорили, с искривлением пространства. Поэтому гравитационные волны можно представить себе как волны искривления пространства. Изменения кривизны можно наглядно сравнить с волнами, бегущими по поверхности воды от брошенного в пруд камня. Там поверхность воды изменяет свою форму. Конечно, гравитационные волны несравненно сложнее любых волн, знакомых нам из обыденной жизни. Но физики довольно подробно и уверенно говорят об их свойствах. Правда, разговоры эти пока чисто теоретические. Никаких эффектов, связанных с реальным существованием волн тяготения до сих пор никто не наблюдал.
Что же получается? Гравитационные волны предсказаны почти сто лет назад, мы, казалось бы, много знаем о них, а прямого их открытия еще нет. Для успокоения пессимистов следует напомнить историю открытия радиоволн, к существованию и использованию которых мы настолько привыкли, что без них не представляем себе обыденной жизни. В самом деле, электромагнитные волны тоже были предсказаны теоретически в шестидесятых годах 19-го века великим английским физиком Максвеллом. Но прошли два десятилетия, прежде чем эти волны впервые получил в лаборатории знаменитый немецкий ученый Генрих Герц. Минуло еще семь лет, пока гений Александра Степановича Попова нашел пути практического применения этих волн, создав первый радиоприемник. Эта историческая справка является утешительной аналогией. Ведь сейчас лишь польский физик Инфельд сомневается в существовании волн гравитации, несущих энергию, тогда как Эйнштейн, Дирак, В. А. Фок, Уилер, Вебер и многие другие крупнейшие специалисты в этом вопросе высказывались за существование волн тяготения.
Так почему же все-таки радиоволны давно открыты, а гравитационные еще нет? В ответ на это физики могут сослаться на ряд причин. Во-первых, в формулу, определяющую энергию гравитационных волн, входит, как коэффициент, весьма малая величина — гравитационная константа. Благодаря этому эффекты, вызванные действием волн тяготения, неуловимо ничтожны.
Правда, энергия испущенных гравитационных волн растет с увеличением массы колеблющегося тела и частоты колебаний. Однако, хотя двойные звезды или планеты и имеют громадную массу, но частоты их колебаний малы.
С другой стороны, атомные и ядерные частицы колеблются с несравненно большими частотами, но зато их массы ничтожно малы. Получается, что в том и в другом случае приходится ожидать излучения гравитационных волн в совершенно ничтожных количествах, совершенно несоизмеримых по сравнению с известным излучением электромагнитных волн. К примеру, такая крупнейшая планета, как Юпитер, при вращении вокруг Солнца должна создавать гравитационное излучение мощностью всего в 450 ватт, в то время как хорошая лампа излучает больше энергии в виде света.
Итак, с точки зрения исторической перспективы можно сказать, что в области гравитации мы находимся между «гравитационным Максвеллом», то есть Эйнштейном, и «гравитационным Герцем», фамилия которого человечеству еще неизвестна.
ПОКА ПРОЕКТЫ
Ряд ученых во всем мире стремится занять эту заманчивую «вакансию», пытается решить вопрос об искусственной генерации и приеме гравитационных волн. В принципе для этого нужно привести какое-то тело в быстрое колебание, чтобы энергию исходящих от него волн тяготения могли принять наши приборы.
На первый взгляд формула теории относительности, определяющая интенсивность гравитационных волн, очень выгодна, так как в нее входит частота колебаний в шестой степени (увеличение частоты волн вдвое соответствует увеличению их интенсивности в 64 раза!). Но расчеты, сделанные еще два десятилетия назад Эддингтоном и другими исследователями для волн, излучаемых вращающимся стержнем, дали малоутешительные результаты. Стержень длиной в метр должен был излучать мощность всего около 10 в минус 30 степени эрга в секунду. Это ничтожнейшая, неощутимая величина. Ведь вращение нельзя сделать произвольно быстрым — нужно следить, чтобы материал стержня не разрушался под действием центробежных сил.
В самое последнее время изумительные успехи технической физики, радиоэлектроники, приборостроения позволили измерять многие тончайшие эффекты, о наблюдении которых несколько лет назад нечего было и думать. Понятно, что физики вновь стали готовить атаку на гравитационные волны. Например, американский ученый Джон Вебер произвел первый реальный расчет гравитационного генератора и детектора, в которых использован пьезоэлектрический кристалл.
По его мысли падающие на кристалл гравитационные волны должны вызывать в нем некоторую деформацию, что в свою очередь должно привести к возникновению электрической поляризации. А получившуюся разность потенциалов можно будет обнаружить с помощью обычных, конечно, чувствительнейших электрических приборов. Тот же кристалл можно использовать и как возбудитель, то есть генератор гравитационных волн. Для этого надо будет привести его в колебание с помощью высокочастотного электрического поля. Впрочем, здесь тоже придется считаться с тем, что при слишком большой относительной амплитуде колебаний кристалл просто разрушится.
Подсчеты показали, что пьезокристалл объемом в 50 кубических метров мог бы излучить гравитационные волны мощностью всего лишь около 10 в минус 13 степени эрга в секунду. А уловить с помощью такого детектора можно было бы мощность порядка 10 в минус 3 степени эрга в секунду. Как видите, передатчик оказался в расчетах Вебера недостаточно мощным, чтобы его излучение поддавалось регистрации современными приборами. Но это не смутило изобретателя. Вебер и его сотрудники Р. Горвард и Д. Зипой надеются уловить гравитационные волны от Солнца или из каких-либо областей межзвездного пространства.
Продолжение следует.
Автор: Д. Д. Иваненко.