Хвилі тяжіння – чи існують вони?
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.
Проблема гравітаційних хвиль все більше і більше привертає увагу вчених. Але на відміну від атомної фізики, дослідження космічних променів і ряду інших розділів нашої науки у вивченні хвиль гравітації ми ще тільки підходимо до експериментальних досліджень. Стара ньютонівська теорія була лише свого роду «гравістатикою»; вона розглядала поле тяжіння як щось застигле. Подібно до цього в електростатиці розглядаються тільки спочиваючий електричний заряд і постійне електричне поле. Однак і великий Ньютон мучився, намагаючись встановити, як же тяжіння передається через простір, від Сонця – до Землі. Після нього Ломоносов, Ейлер і Лесаж в XVIII столітті, потім Жуковський і Бьеркнес в XIX столітті і багато інших корифеїв науки прагнули розв’язати цю загадку. Але їх зусилля незмінно закінчувалися невдачею.
До початку XX століття фізики навели порядок в багатьох областях свого господарства. Їм вдалося об’єднувати навіть такі на перший погляд різнорідні явища, як світло, магнетизм та електрику. З’ясувалося, що все це прояви єдиного електромагнітного поля. Теплові явища вдалося пояснити хаотичними рухами частинок і хвиль. А тяжіння все ще завзято залишалося «річчю в собі».
Лише у 1916 році вирішальний крок у його розумінні зробив А. Ейнштейн, який встановив тісний зв’язок гравітації з простором і часом. Несподіваним, разючим чином гравітація виявилася пов’язаною з викривленням простору (і часу)!
Це досить важко уявити собі наочно, хоча і можна пояснити грубими прикладами. Адже нам не раз траплялося зустрічати звичайнісінькі яри. Добре б такий яр переступити прямим шляхом – по прямій лінії, але він занадто широкий для цього. Доводиться опуститися і знову піднятися, намагаючись рухатися по найкоротшій («геодезичній») лінії, яка вже буде кривою. Простір, в якому проявляється поле тяжіння, грубо кажучи, суцільно поораний ярами, і всі тіла в ньому змушені рухатися не по прямим, а кривим, але найкоротшим лініям. Наприклад, Сонце викривляє («прогинає») навколо себе простір, і планети обертаються навколо нього по еліпсам.
Теоретичні висновки Ейнштейна були підтверджені прямими астрономічними спостереженнями, а потім і фізичними дослідами. Але на практиці нова теорія гравітації не знайшла ще собі застосування. Зате вироблений нею переворот в наших поглядах був воістину радикальний.
Простір виявився не порожньою сценою, на якій виступають зірки, планети та інші космічні «дійові особи». З’ясувалося, що він володіє фізичними властивостями, взаємодіє зі звичайною матерією (тобто зірками, планетами, атомами, елементарними частинками і т. д.) і змінюється, викривляється під її впливом.
По всій видимості, надії на відкриття нових ефектів і більш реальні застосування теорії гравітації не є безпідставними, і нині для ейнштейнівської теорії гравітації настає час покинути свою «вежу зі слонової кістки» і зробити крок в життя. Вся сучасна фізика характеризується тим, що її відкриття швидко переростають в технічні досягнення. Інтерес до проблем гравітації, простору, часу надзвичайно зріс у зв’язку з дивовижними запусками супутників і космічними польотами.
МІЖ МАКСВЕЛОМ ТА ГЕРЦЕМ
Але… спочатку все-таки потрібно зробити відкриття. У першу чергу мова йде про гравітаційні хвилі.
Виявляється, за деяких умов поле тяжіння може частково як би відриватися від тіл, що його породили та випромінюватися в простір у вигляді хвиль. Наприклад, такі хвилі повинне випромінювати будь-яке досить масивне тіло, що відчуває коливання. Старе, довго хвилююче фізику питання про те, чи можливі миттєві передачі взаємодії, було вирішене наукою негативно. Найшвидші з можливих взаємодій відбуваються «всього лише» зі швидкістю світла (тобто 300 000 кілометрів на секунду). Це стосується і гравітації.
Але саме поле тяжіння безпосередньо пов’язано, як ми говорили, з викривленням простору. Тому гравітаційні хвилі можна уявити собі як хвилі викривлення простору. Зміни кривизни можна наочно порівняти з хвилями, що біжать по поверхні води від кинутого в ставок каменю. Там поверхня води змінює свою форму. Звичайно, гравітаційні хвилі незрівнянно складніше будь-яких хвиль, знайомих нам з повсякденного життя. Але фізики досить докладно і впевнено говорять про їх властивості. Правда, розмови ці поки чисто теоретичні. Ніяких ефектів, пов’язаних з реальним існуванням хвиль тяжіння до сих пір ніхто не спостерігав.
Що ж виходить? Гравітаційні хвилі передбачені майже сто років тому, ми, здавалося б, багато знаємо про них, а прямого їх відкриття ще немає. Для заспокоєння песимістів слід нагадати історію відкриття радіохвиль, до існування і використання яких ми настільки звикли, що без них не уявляємо собі повсякденного життя. Справді, електромагнітні хвилі теж були передбачені теоретично в шістдесятих роках 19-го століття великим англійським фізиком Максвеллом. Але пройшли два десятиліття, перш ніж ці хвилі вперше отримав в лабораторії знаменитий німецький вчений Генріх Герц. Минуло ще сім років, поки геній Олександра Степановича Попова знайшов шляхи практичного застосування цих хвиль, створивши перший радіоприймач. Ця історична довідка є втішною аналогією. Адже зараз лише польський фізик Інфельд сумнівається в існуванні хвиль гравітації, несучих енергію, тоді як Ейнштейн, Дірак, В. А. Фок, Уілер, Вебер і багато інших найбільших фахівців в цьому питанні висловлювалися за існування хвиль тяжіння.
Так чому ж все-таки радіохвилі давно відкриті, а гравітаційні ще ні? У відповідь на це фізики можуть послатися на ряд причин. По-перше, в формулу, визначальну енергію гравітаційних хвиль, входить, як коефіцієнт, вельми мала величина – гравітаційна константа. Завдяки цьому ефекти, викликані дією хвиль тяжіння, невловимо незначні.
Правда, енергія випущених гравітаційних хвиль зростає зі збільшенням маси тіла, що коливається і частоти коливань. Однак, хоча подвійні зірки або планети і мають величезну масу, але частоти їх коливань малі.
З іншого боку, атомні та ядерні частинки коливаються з незрівнянно більшими частотами, але зате їх маси мізерно малі. Виходить, що в тому і в іншому випадку доводиться чекати випромінювання гравітаційних хвиль в зовсім незначних кількостях, зовсім несумірних в порівнянні з відомим випромінюванням електромагнітних хвиль. Приміром, така найбільша планета, як Юпітер, при обертанні навколо Сонця повинна створювати гравітаційне випромінювання потужністю всього в 450 ват, у той час як хороша лампа випромінює більше енергії у вигляді світла.
Отже, з точки зору історичної перспективи можна сказати, що в області гравітації ми знаходимося між «гравітаційним Максвеллом», тобто Ейнштейном, і «гравітаційним Герцем», прізвище якого людству ще невідоме.
ПОКИ ПРОЕКТИ
Ряд вчених в усьому світі прагне зайняти цю привабливу «вакансію», намагається вирішити питання про штучну генерацію та прийом гравітаційних хвиль. В принципі для цього потрібно привести якесь тіло в швидке коливання, щоб енергію вихідних від нього хвиль тяжіння могли прийняти наші прилади.
На перший погляд формула теорії відносності, що визначає інтенсивність гравітаційних хвиль, дуже вигідна, так як в неї входить частота коливань в шостому ступені (збільшення частоти хвиль вдвічі відповідає збільшенню їх інтенсивності в 64 рази!). Але розрахунки, зроблені ще два десятиліття тому Еддінгтоном та іншими дослідниками для хвиль, випромінюваних обертовим стрижнем, дали маловтішні результати. Стержень довжиною в метр повинен був випромінювати потужність всього близько 10 в мінус 30 ступені ерга в секунду. Це мізерно, невідчутна величина. Адже обертання не можна зробити довільно швидким – потрібно стежити, щоб матеріал стержня не руйнувався під дією відцентрових сил.
У самий останній час дивовижні успіхи технічної фізики, радіоелектроніки, приладобудування дозволили вимірювати багато найтонших ефектів, про спостереження яких кілька років тому годі було й думати. Зрозуміло, що фізики знову стали готувати атаку на гравітаційні хвилі. Наприклад, американський вчений Джон Вебер справив перший реальний розрахунок гравітаційного генератора і детектора, в яких використаний п’єзоелектричний кристал.
За його думкою падаючі на кристал гравітаційні хвилі повинні викликати в ньому деяку деформацію, що в свою чергу має призвести до виникнення електричної поляризації. А отриману різницю потенціалів можна буде виявити за допомогою звичайних, звичайно, чутливих електричних приладів. Той же кристал можна використовувати і як збудник, тобто генератор гравітаційних хвиль. Для цього треба буде привести його у коливання за допомогою високочастотного електричного поля. Втім, тут теж доведеться рахуватися з тим, що при занадто великій відносній амплітуді коливань кристал просто зруйнується.
Підрахунки показали, що п’єзокристал об’ємом в 50 кубічних метрів міг би випроменити гравітаційні хвилі потужністю всього лише близько 10 в мінус 13 ступені ерга в секунду. А вловити за допомогою такого детектора можна було б потужність порядку 10 в мінус 3 ступеня ерга в секунду. Як бачите, передавач опинився в розрахунках Вебера недостатньо потужним, щоб його випромінювання піддавалося реєстрації сучасними приладами. Але це не збентежило винахідника. Вебер і його співробітники Р. Горварда і Д. Зіпой сподіваються вловити гравітаційні хвилі від Сонця або з будь-яких областей міжзоряного простору.
Далі буде.
Автор: Д. Д. Іваненко.