Гравітація і світло
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Всяке прискорено рухоме тіло, як стверджує теорія Ейнштейна, випускає гравітаційні хвилі. Світ навколо нас заповнений ними, і в цьому факті нічого не змінює ту обставину, що техніка сьогоднішнього дня ще не впоралася з виявленням цих хвиль. Адже від того, що чотириста років тому людина і не підозрювала про існування радіохвиль, інфрачервоних і ультрафіолетових променів, вони не переставали випромінюватися зірками, сонцем, просто земними предметами.
Нам не вистачає тільки системи приладів, здатної показати хвилі тяжіння. Щоб відправлені радіостанцією електромагнітні коливання могли бути сприйняті радіослухачами, їх переводять в звукові коливання. З одного «язика» техніки на інший.
Гравітаційні хвилі, кажучи образно, нова незнайома нам мова природи. Щоб вона була сприйнята, треба зробити переклад, перетворення коливань тяжіння в механічні або електромагнітні, наприклад в світлові.
Мені мова світла здається, у всякому разі, на перших порах, більш зручною. А «перекладним текстом» можуть послужити порівняно потужні гравітаційні хвилі, що йдуть до нас від народжуваних і рухомих зірок та цілих галактик.
При цьому потрібно використовувати одну саму загальну властивість, властивість гравітаційної хвилі. Вона є полем тяжіння, а всяке поле тяжіння впливає на поширення світла. Це не тільки передвіщено теорією відносності, але і ось вже сорок років, як перевірено на досліді і підтверджено.
Поле тяжіння і перекидає місток між гравітаційною та світловою хвилями. Адже всяке таке поле служить свого роду лінзою, в якій промінь світла заломлюється. Відбувається його викривлення і одночасно зсув фаз світлової хвилі. Звичайно, величина поля тяжіння буде порівняно мала, і викривлення їм променя практично помітити буде неможливо. Але ось зсув фаз виявити набагато легше, тим більше що прилад, здатний відзначити зрушення фаз світлової хвилі, вже існує. Це звичайний (для фізика, в усякому разі) інтерферометр. У ньому промінь світла від якогось джерела розділяється на два, що проходять різні відстані і середовища, а потім промені поєднуються. Складаючись, обидва променя дають так звану інтерференційну картину – чергування темних і світлих смуг. При зсуві фаз хвилі якого-небудь з розділених променів ця картина зміщується.
Тепер уявімо собі, що два взаємно перпендикулярних світлових променя перетнуться з гравітаційною хвилею. Всяка лінза по-різному змінює промені, що йдуть через неї в різних напрямках.
Це відноситься і до лінзи – полю тяжіння. І знову суміщені два промені вже не співпадуть повністю. Результат – зміщення смуг інтерференційної картини. Зсув відбуватися буде рідко – з частотою, рівною частоті гравітаційної хвилі. Але з розрахунків випливає, що чим менше ця частота, тим краще. Мабуть, цим методом вдасться виявляти хвилі, що мають всього одне коливання в рік, в п’ять, у десять, у сотню років.
Зсув смуг в інтерференційній картині має бути дуже невеликий, але фізика володіє методами, за допомогою яких можна вимірювати фантастично малі величини. Головні труднощі не в тому, щоб помітити і виміряти коливання, викликані гравітаційною хвилею, а в тому, щоб виділити їх серед інших коливань – випадкових. Всякого роду шуми змушують інтерференційну картину безладно зміщуватися. Навіть випадкові коливання молекул будуть викликати зміщення смуг, більші, ніж викликані хвилями тяжіння. Потрібно буде відокремити «самозванців» від істинних посланців космосу.
Уявіть собі, що ви знаходитесь в парку між чотирма стовпами з радіорепродуктора. По радіо передається сподобалася вам пісня, і ви хочете записати слова постійно повторюваного приспіву. Це було б не важко, і вистачило б одного репродуктора, якби біля кожного стовпа не грав потужний шумовий оркестр. А тепер доведеться поставити біля кожного стовпа по магнітофону, записати всі звуки, а потім, порівнявши чотири записи, відкинути все, що в них не збігається, і виділити однакові для всіх плівок слова приспіву. Якщо приспів повторили не чотири або п’ять, а сто, тисячу разів, завдання відповідно полегшується.
Заради приспіву ніхто не буде проробляти таку процедуру, але для виявлення хвиль тяжіння можна зробити і більше. Замість одного інтерферометра доведеться взяти кілька і поставити їх в абсолютно однакові умови. Потім виділити коливання картин, однакові для всіх інтерферометрів. Ці коливання і видадуть нам, нарешті, гравітаційні хвилі.
Переклад буде зроблено – перший, наближений, але дуже важливий. Важливий тут буде не тільки сам факт експериментального підтвердження пророкувань Ейнштейна; хвилі, що народилися при космічних катастрофах, зможуть сильно поповнити наші відомості про історію та будову світу.
Автор: М. Герцентшейн.