Прибій гравітаційних хвиль
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.
Кому не доводилося дивитися на річкові чи морські механічні хвилі? Електромагнітні хвилі невидимі, але відомо, що радіо і телебаченню ми зобов’язані саме їм. А ось про гравітаційні хвилі доводилося хіба що чути, хоча в них немає нічого екстраординарного: електромагнітні хвилі виникають при русі електричних зарядів, а при переміщенні мас речовини повинні з’являтися гравітаційні. Їхнє існування з необхідністю випливає з теорії Ейнштейна. Різниця лише в тому, що сили гравітації на тридцять дев’ять порядків слабші за електричні, тому гравітаційні хвилі вкрай складно виявити.
Першим спробам їхнього пошуку понад 50 років. Американський вчений Вебер зробив дві спеціальні антени — величезні циліндричні болванки кілька тонн вагою. Розташувавши їх на відстані в тисячу кілометрів одна від одної, він хотів реєструвати хвилі від космічних катаклізмів: народження наднових, колапсуючих зірок, падіння речовини на поверхню «чорних дірок». Всі земні явища і навіть події в сонячній системі породжують зовсім нікчемні хвилі, і зареєструвати їх антенами немає жодної можливості. Хвилі, що надходять від космічних джерел, повинні деформувати антени, причому не більше, ніж на одну мільйонно-мільярдну частку сантиметра. Це все одно, що виміряти відстань до Сонця з точністю леза бритви.
На початку шістдесятих років минулого століття Вебер оголосив про те, що він «засік» гравітаційні хвилі. Але його дослід повторили у США, Англії, Італії, Німеччині – ефекту не було. Можливо, результати Вебера — не шукані хвилі, а щось інше, якісь невраховані флуктуації?
Антени, а їх тепер створено понад двадцять, виготовляють із дуже твердих речовин, наприклад, сапфіру або корунду. Під час експерименту вони утримуються при температурі близько нуля. Вага сягає п’яти тонн. За допомогою всіляких хитрощів вдалося знизити поріг чутливості до 10-17 сантиметрів.
У Німеччині та США також будуються інші установки для реєстрації хвиль від космічних джерел: дуже чуйні інтерферометри, в яких складаються два промені. Проходження гравітаційної хвилі має змістити інтерференційну картину. На основі лазерів з величезними базами ці прилади зможуть перевершити чутливість антен ще тисячу разів. Вони, правда, ще не працюють.
Є й проекти запуску супутників — коливанням орбіти, можливо, вдасться відчути гравітаційні хвилі. Але поки результатів немає! А останнім часом інтерес до гравітації помітно зріс у зв’язку зі спробами включення їх у схему єдиних теорій взаємодії.
Втім, фізики пропонують й іншу постановку досліду: і джерело, і приймач зробити в лабораторії. Повна аналогія з дослідами Герца, у яких зареєстровано поширення електромагнітних хвиль. Але ж хвилі від земних джерел, як говорилося, вкрай слабкі! Вся справа у явищі їхнього резонансного посилення. Уявіть собі довгий ланцюжок атомів. Якщо їх розкачати, кожен випускатиме гравітаційні хвилі. Так ось завдання — розгойдувати атоми по черзі, щоб хвилі, що випускаються, складалися, посилюючись. Це «доручено» спеціально організованій інтерференційній хвилі від двох лазерів. Вона біжить уздовж ряду атомів, включаючи в роботу все нові і нові випромінювачі, і гравітаційні хвилі кожного накладаються один на одного, посилюючи ефект.
Випромінювачами будуть атоми водню, заморожені до чотирьох градусів Кельвіна — щоб їхній тепловий рух не завадив ходу експерименту. Поміщені вони в циліндр діаметром три сантиметри і завдовжки – метр. Гравітаційні хвилі, що виходять з нього, реєструють теж незвичайним чином: їх стикають з тим же лазерним пучком, і вони ніби вибивають із цього пучка фотони. Дослідники збираються фіксувати близько сотні фотонів, розсіяних гравітаційною хвилею. Їм належить подолати безліч експериментальних складнощів, переважно пов’язаних із перешкодами з інших джерел фотонів.
Незважаючи на дуже великі труднощі, робота йде з ентузіазмом, тому що її результат може стати одним з найважливіших: якщо не вдасться зареєструвати гравітаційні хвилі, значить, під сумнівом загальна теорія відносності, а якщо вони будуть виявлені – це стане найсильнішим аргументом в її користь.
Автор: С. Андрєєв.