Говерт Шиллинг «Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии» - рецензия П. Можейко
«Чтобы живописать бурю, незачем живописать каждую волну, достаточно дать картину взволнованного моря». (Ромен Роллан)
НАЗВАНИЕ: Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии
АВТОР: Говерт Шиллинг
ОРИГИНАЛЬНОЕ НАЗВАНИЕ: Ripples in Spacetime: Einstein, Gravitational Waves and the Future of Astronomy
ISBN: 978-5-91671-847-8
ГОД ИЗДАНИЯ: 2019
ИЗДАТЕЛЬСТВО: «Альпина нон-фикшн»
СЕРИЯ: ---
КОГДА МНОЙ ПРОЧИТАНО: Декабрь 2024
ИСТОЧНИК: Оригинальная книга
О КНИГЕСоздать гравитационные волны проще простого. Для этого понадобится несколько вращающихся относительно друг друга масс. Возьмите в руки две гантели или две бутылки молока и раскрутитесь словно фигурист вокруг своей оси. Вот и всё, готово! Только волны эти настолько мизерны в своем масштабе, что обнаружить их невозможно. Попробуем что-то «немного» покрупнее. Возьмем две планеты Земля на пропорциональном расстоянии. И снова волны мягко говоря «ни о чем»… Обидно! Попробуем раскрутить две звезды, размером с Солнце – и снова маловато. А если две звезды-гиганта? Уже кое-что. А если это будут две черные звезды из другой галактики, массой в три десятка масс Солнца каждая? В самый раз! Вот только чтобы обнаружить эти, все равно весьма слабые волны, человечеству понадобилось несколько тысяч лет развития науки, создание общей теории относительности в начале ХХ века, а затем еще 100 лет дальнейших экспериментов и исследований, чтобы построить детекторы, способные уловить колебания пространственно-временного континуума в пределах тех долей, которые характеризуются десятками нулей после запятой. В своей научно-популярной книге «Складки на ткани пространства-времени» (2017) голландский научный журналист в области астрономии Говерт Шиллинг, в честь которого назван один из астероидов, написал драматическую, детективную, вдохновляющую и волнующую историю разработки теории и обнаружения гравитационных волн, события, которое открыло новый этап не только в астрофизике, но и в целом в мировой науке.
«Мчащаяся сквозь пространство со скоростью 300 000 км/с волна вошла в нашу Галактику около 100 000 лет назад. Она вызывала легчайшую дрожь звезд и планет, двигаясь по Млечному Пути в нашем направлении. В 1915 г., когда Альберт Эйнштейн сформулировал ОТО, ей оставалось преодолеть всего 100 св. лет, чтобы встретиться с маленькой планетой, населенной любознательными существами.
Она приходит с юга. Дата: понедельник, 14 сентября 2015 г. Время: 09:50:45 по Гринвичу. На крохотную часть секунды Земля растягивается и сжимается на 1/10 квинтиллионной доли процента – 1/1021. Все на планете расширяется и сокращается вместе с ней, в том числе лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория в Ливингстоне, штат Луизиана, а через 7 мс аналогичный детектор LIGO в Хэнфорде, штат Вашингтон.
Очень скоро все успокаивается. Гравитационная волна продолжает путешествие в дальние пределы глубокого космоса. Через 1,3 с она пересекает орбиту Луны и через несколько часов покидает Солнечную систему, продолжая слегка деформировать все, что оказывается на ее пути».
Книга Говерта Шиллинга посвящена определенно специфической теме, причем довольно узкой. Она не сделает вашу жизнь лучше и не даст список полезных советов на каждый день. Гравитационные волны и масштабные процессы в далеком космосе – это поле интересов любителей науки, техногиков и любознательных людей. И уж им-то тут как раз будет чем себя занять. Остальных, возможно, заинтересует вот что: эта книга рассказывает историю реального выхода человечества «из матрицы». К чему здесь этот киномем? А к тому, что ученые, изучающие гравитационные волны исследуют наше физическое пространство (область нашего существования, которую мы не в состоянии покинуть) как что-то целое, глядя на доступный нам «пространственно-временной континуум» как бы со стороны, как на желе, в котором эти самые волны и распространяются. Видеть работу ученых, следить за их догадками и открытиями, их хитроумными экспериментами и устройствами, позволяющими увидеть, казалось бы, совсем недоступные вещи – все это настоящее откровение о силе человеческого разума и о его безграничности. Если уж человечество и способно посмотреть на себя и свой мир со стороны, то изучение гравитационных волн на данный момент высшая точка достижений в этом вопросе.
Так уж получилось, что между предложенной Альбертом Эйнштейном в 1915 году «Общей теорией относительности» (она же – ОТО), одним из предположений которой и было существование гравитационных волн, и фактической регистрацией этих волн в 2015 году, прошло ровно сто лет. Этот отрезок и занимает повествование Говерта Шиллинга.
«Обнаружение GW150914 – сигнала, зарегистрированного в памятный понедельник, – это и кульминация вековых поисков, и первая страница совершенно новой главы в исследовании Вселенной».
В шестнадцати главах на полутора сотнях страниц автор последовательно расскажет читателям о том, как ученые пришли от довольно сомнительной на первый взгляд идеи о гравитационных волнах, к их непосредственной регистрации и разворачиванию на планете целой сети детекторов для более подробного их изучения. Одновременно продвигаясь от 1915 года к современности, Шиллинг углубляет и расширяет теорию, переходя от рассказа о косвенных доказательствах предположений ОТО (гравитационное линзирование, доплеровское смещение, кинематическое замедление времени) до сооружения интерферометрических детекторов LIGO – хитрых лазерных ловушек, способных отследить кратчайшие и малейшие искажения пространства-времени.
Интересно, что если бы Говерт Шиллинг в своей книге рассказывал ТОЛЬКО о гравитационных волнах, то ее можно было бы сократить как минимум вдвое. Все дело в том, что этот добросовестный и предупредительный автор в отдельных главах объясняет все сложные явления, которые необходимо знать либо для понимания сути экспериментов, либо для понимания значения того открытия, которое могут дать эти исследования. Так, например, в одном из эпизодов «гравитационно-волновой истории» важное место займут пульсары – это особый вид звезд, находящихся на определенном этапе своего жизненного цикла. Так вот, Шиллинг отводит целую главу, чтобы рассказать о жизненном цикле звезд, их разновидностях и пульсарах в частности. В другом месте читатель узнает, что гравитационные волны могут многое нам рассказать о первом этапе развития нашей Вселенной сразу после Большого взрыва, еще до того, когда мир стал похожим на наш. Этот период Космической инфляции завершился через 10−36 секунд после момента сингулярности, и косвенно заглянуть «в него» можно благодаря поляризации реликтового излучения, которая могла в свою очередь быть вызвана первичными гравитационными волнами. Так вот, Говерт Шиллинг снова отводит отдельную главу, чтобы рассказать о Большом взрыве и инфляционной теории.
«Все слышали о Большом взрыве. Около 13,8 млрд лет назад Вселенная была сжата в одну бесконечно малую точку в пространстве, и Большой взрыв разметал ее вещество во всех возможных направлениях, правильно? Неправильно. Это первое – и главное – заблуждение. Большой взрыв произошел не в пространстве. Это был взрыв самого пространства. По крайней мере такая формулировка намного более точна. Большинство людей представляют себе Большой взрыв как гигантский фейерверк: он исходит из определенного места и расшвыривает вещество по пространству во все стороны. Как только заметите, что представляете Большой взрыв в виде фейерверка, выбросьте эту картину из головы. Она ложна».
Стоит отдать должное, у автора хорошо получается объяснять сложные вещи, находя доступные аналогии из привычного для каждого окружения. Так, например, расширяющееся пространство-время он сравнил с восходящим в духовке тестом пирога, где звезды – это изюминки в нем.
Легкости чтению придает и авторская ирония, которая ненавязчиво то тут, то там разбавляет текст: «В науке получить деньги означает гарантированно нажить врагов».
Свою роль играют и неожиданные факты или особым образом озвученные данные:
«Можно ли израсходовать $750 млн на доказательство того, что все и так считают истинным? В такую сумму НАСА обошлась космическая миссия Gravity Probe B, в 2005 г. подтвердившая ряд предсказаний Эйнштейна путем измерения слабых релятивистских эффектов, известных как геодезическая прецессия и увлечение инерциальных систем отсчета».
Иногда же, Шиллинг позволяет себе нотку сентиментальности, это касается как рассказов об ученых, так и самой науки:
«На мой взгляд, это самое прекрасное, что может поведать наука: тот факт, что углерод у вас в мышцах, кальций в костях, железо в крови и фосфор в ДНК – все это было синтезировано в ходе реакций термоядерного синтеза отдаленных светил».
Надо отдать должное, Шиллинг избежал частой для научного журналиста стилистической ошибки, когда каждая глава начинается со страничной похвалы того, о ком сейчас пойдет речь. В целом, это увлекательно написанная и доступная для любого любознательного читателя книга, которая рассказывает о космосе, астрономии и физике, и по стилю ближе книгам Митио Каку и Лоуренса Краусса, нежели чуть более тяжеловесным Стивену Хокингу или Дэвиду Дойчу. Не мало места в повествовании занимают личные подвиги и трагедии самих ученых. Чего только стоит то, как поспешно в гонке за Нобелем опростоволосилась команда радиотелескопа BICEP2 – в серии экспериментов по исследованию реликтового излучения. Космолог и участник программы Брайан Китинг написал об этом целую книгу, которая так иронично и называется: «Гонка за Нобелем», рецензию на которую можно прочитать тут.
Это издание отличает еще один приятный бонус: предисловие британского космолога и астрофизика Мартина Риса, чья книга «Всего шесть чисел: Главные силы, формирующие Вселенную» (1999) – пример отличной научно-популярной литературы, которая прекрасно совмещает в себе краткость, точность, доступность и увлекательность. Рецензию на эту книгу можно прочитать тут.
Книга не богато, но достаточно проиллюстрирована. Здесь есть фотографии ученых, космические снимки, схемы экспериментальных установок и графики. Также радует то, что в конце добавлена небольшая глава с тезисным описанием исследований и открытий, которые произошли после написания книги (после 2017 года).
Подытоживая, можно сказать, что книга Говерта Шиллинга – это хороший вариант интеллектуального развлечения для тех, кто хочет восхититься силой человеческого разума, сложностью устройства нашего мира, красотой безграничной Вселенной и вдохновляющими перспективами будущих научных открытий. А еще, попробовать выйти за пределы знакомых нам 4-х измерений…
КОНСПЕКТ-ЦИТАТНИК
А теперь предлагаю пройтись по некоторым интересным местам в этой книге.
В основе теории лежат открытия Альберта Эйнштейна, в частности, его Общая теория относительности. Первый блок книги посвящен этой теории, выводам из нее и предположениям, а также проверке этих предположений в ходе различных экспериментов.
«Как ни удивительно, вы намного больше знаете о Вселенной, чем Эйнштейн в то время, когда разрабатывал ОТО. Тогда никто еще не видел обратной стороны Луны. Не был открыт Плутон. Астрономы не знали, что служит источником энергии Солнца. Истинная природа спиральных туманностей – галактик, таких как наш Млечный Путь, – оставалась неясной. По мнению большинства ученых, Вселенная существовала всегда. До открытия пульсаров, квазаров и экзопланет оставались долгие десятилетия. Антиматерия, нейтрино, кварки – в 1915 г. эти слова были бы для Эйнштейна пустым звуком, – как и скопления галактик, гамма-всплески и темная материя. Что ученые знали в 1915 г., так это то, что во Вселенной правит гравитация, хотя является крайне слабым взаимодействием».
Что важное говорит ОТО про гравитацию?
«ОТО – новая теория гравитации. Это кажется странным, но лишь на первый взгляд. Все сводится к так называемому принципу эквивалентности Эйнштейна, впервые сформулированному в 1907 г., согласно которому в действительности нет никакой разницы между гравитацией и движением с ускорением. Представьте, что вы вошли в помещение без окон. Гравитация Земли тут же притягивает вас к полу. Ваш друг входит в такое же помещение без окон в космическом корабле, разгоняющемся в безвоздушном пространстве. Рядом нет планеты, которая могла бы воздействовать на него своей гравитацией, но и его прижимает к полу. Это происходит потому, что все помещение с ускорением движется вперед, будучи частью корабля. Принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что между этими двумя ситуациями нет принципиальной разницы. Иными словами, какие бы эксперименты ни поставили вы и ваш друг-астронавт, результаты будут одинаковыми. Следовательно, если время замедляется в ускоряющемся корабле, оно должно замедляться и в среде с сильной гравитацией. Как объяснил Эйнштейн Лоренцу во время визита 1911 г., часы идут чуть быстрее на втором этаже здания, чем в цокольном, поскольку на втором этаже гравитационное поле Земли чуть слабее».
Первое предсказание ОТО (гравитационное линзирование света Солнцем и другими звездами):
«Солнце то и дело временно «выключается», когда перед ним проходит диск Луны. В течение полного солнечного затмения яркая поверхность Солнца полностью заслоняется, или затемняется, Луной, и звезды на его фоне становятся видны. Возник план: во время полного солнечного затмения сфотографировать звезды в непосредственной близости от Солнца. Пронаблюдать то же самое звездное поле на несколько месяцев позже или раньше, когда свет звезд не отклоняется под воздействием искривления пространственно-временного континуума находящимся на их пути Солнцем. Сравнить положение звезд на двух фотографиях и измерить величину отклонения во время затмения».
Второе предсказание ОТО (гравитационное красное смещение):
«Вторым предсказанием ОТО, доступным для проверки опытным путем, стало гравитационное красное смещение. Помните, как Эйнштейн рассказывал Лоренцу, что его часы идут чуть быстрее на втором этаже здания, чем на цокольном? Это объясняется тем, что, согласно ОТО, часы должны замедляться в сильных гравитационных полях. Представьте, что находитесь на уровне земли в Нижнем Манхэттене, а ваша сестра – на верху Башни Свободы, на 540 м выше вас. Вы включаете лазерную указку. Она дает свет определенной длины волны – у зеленых лазерных указок обычно 532 нм (нанометр равен одной миллиардной метра, таким образом, 532 нм равны 0,000532 мм). Вы направляете свет в сторону сестры. (Напоминаю, это мысленный эксперимент – на практике нельзя направлять свет лазерной указки в лицо кому бы то ни было, чтобы не повредить глаза.) Свет какой длины волны она увидит? Не 532 нм, а чуть более длинные волны, соответствующие чуть более красному цвету. Дело в том, что для вашей сестры время течет быстрее, чем для вас. <…> На уровне земли ваша лазерная указка излучает свет, длина волны которого составляет 532 нм. Это соответствует частоте 563,5 трлн Гц – столько гребней волны проходит за каждую секунду. (Хотите сделать расчеты самостоятельно? Это легко: разделите скорость света на длину волны и получите соответствующую частоту.) Наверху Башни Свободы свет лазера имеет прежнюю скорость – ведь скорость света, согласно Эйнштейну, есть величина постоянная. Но гравитация на высоте слегка слабеет по сравнению с уровнем земли, и время идет чуть быстрее. Прежде чем 563,5 трлн гребней волн успеют пройти, одна секунда истечет. Иначе говоря, ваша сестра видит свет чуть меньшей частоты, соответствующей чуть большей длине волны, чуть меньшей энергии и слегка красноватому оттенку. Это и есть гравитационное красное смещение».
Про кинематическое замедление времени:
«Высоко в воздухе, где гравитация чуть слабее, чем на земле, атомные часы предположительно должны идти чуть быстрее. Это гравитационное замедление времени уже было убедительно продемонстрировано Паундом и Ребкой в форме гравитационного красного смещения. Но имеется также кинематическое замедление времени – эффект, предсказанный СТО, которую Эйнштейн сформулировал в 1905 г.
Гравитационное замедление времени при полете на восток и на запад должно быть сопоставимым. В конце концов, оба полета совершаются с практически равными скоростями, значит, эффект гравитации будет одинаковым. Но кинематическое замедление времени должно отличаться. Скорость полета в восточном и западном направлениях практически одинакова только по отношению к земной поверхности. Нам же нужно рассматривать скорости относительно центра Земли. Представьте себе трехмерную систему координат, нулевая точка которой совпадает с центром Земли. Земная поверхность имеет определенную скорость вращения на любой широте. Если вы летите на восток, в одном направлении с вращением Земли, ваша скорость относительно системы координат оказывается выше, если на запад – ниже. Из разницы скоростей проистекает разный ход часов. Приземлившись в Вашингтоне (округ Колумбия), Хафеле и Китинг сравнили показания своих атомных часов и часов Вашингтонской морской обсерватории. Как и следовало ожидать, их часы уходили вперед и назад на десятки наносекунд в течение высокоскоростных перелетов в полном соответствии с предсказаниями Эйнштейна».
Про «геодезическую прецессию» и «увлечение инерциальных систем»:
«Представим изолированную сферу, вращающуюся в безвоздушном пространстве. В отсутствии внешних сил ее ось вращения всегда будет направлена в одну точку. Теперь поместим эту сферу на земную орбиту. Ньютон полагал бы, что ось вращения сохранит прежнее направление: если она указывала на далекую звезду, то так и будет на нее указывать на каждом орбитальном витке. Эйнштейн предсказывает иное. Из-за присутствия Земли пространственно-временной континуум вблизи планеты искривляется. Ось вращения сферы действительно сохраняет фиксированное положение в искривленном пространственно-временном континууме. Но при наблюдении со стороны, оттуда, где пространственно-временной континуум остается неискривленным, вы заметите очень медленное смещение. Какое-то время ось будет указывать на отдаленную звезду, но в процессе множества витков точное соответствие утратится. Это и есть геодезическая прецессия.
Увлечение инерциальных систем отсчета тоже легко представить. Возможно, вам встречались иллюстрации, где искривление пространственно-временного континуума показано с помощью шара для боулинга, лежащего на батуте. Плоская поверхность батута изображает пространственно-временной континуум, а шар – массивное тело, такое как Солнце или ЧД. Точно так же, как шар для боулинга деформирует поверхность батута, массивные тела вызывают местное искривление пространственно-временного континуума».
Все это стало поводом для того, чтобы задуматься о существовании гравитационных волн.
«В математическом выражении уравнения поля ОТО аналогичны уравнениям электродинамики Максвелла. В 1860-х гг. шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл впервые предположил, что электричество и магнетизм – две стороны одной медали и что свет – это электромагнитная волна. Полтора века спустя его уравнения остаются достаточно популярными, чтобы печататься на футболках (хотя носят их, вероятно, только студенты-физики). Это относится и к эйнштейновским уравнениям поля. Что значит «аналогичны»?
Теория электродинамики Максвелла доступна для понимания. Возьмите электрический заряд, придайте ему ускорение, и он создаст электромагнитную волну. Следствия мы наблюдаем повсеместно в форме света, радиоволн и т. д. Могут возникнуть наивные ожидания – найти нечто подобное в ОТО: возьмем «гравитационный заряд» (массивный объект), придадим ему ускорение, и он породит гравитационную волну. Звучит логично. Безусловно, что-то подобное виделось Эйнштейну в конце 1915 г., когда он вывел окончательную версию уравнений поля. Однако между электромагнетизмом и гравитацией существует большая разница. И электрические, и магнитные заряды могут быть как положительными, так и отрицательными. Они могут притягиваться или отталкиваться. Напротив, масса всегда положительна. Отрицательной массы не существует, гравитация – всегда притяжение, она не может быть силой отталкивания».
Где и как распространяются гравитационные волны?
«Первое и самое важное: ничто не идет «волнами» или «рябью» сквозь пространство, как в случае водяных, звуковых и даже световых волн. Нет, речь здесь о пространственно-временном континууме как таковом. <…> Перейдем к двухмерному пространству, например к листу бумаги или миллиметровки. Принцип тот же. Гравитационную волну в двухмерном пространстве следует изображать не выгибанием листа складками, как это часто делается. Нет, попытаемся представить распространение волн в двухмерной плоскости. При этом квадратики миллиметровки растягиваются в одних местах и сжимаются в других. (Точнее, в один момент времени данный квадрат увеличивается в определенном направлении, в другой момент уменьшается.) Перпендикулярно направлению волны пространство попеременно растягивается и сжимается, как если бы в плоскости распространялись области повышенной и пониженной «плотности пространства». <…> Итак, вот правильная визуализация волн Эйнштейна. В сущности, картина почти не отличается от волн плотности, распространяющихся по сосуду с желе, если его встряхнуть, где желе представляет безвоздушное пространство».
Некоторые характеристики гравитационных волн:
«В зависимости от источника гравитационные волны могут сильно различаться частотами и амплитудами. Представьте две ЧД, взаимно обращающиеся очень близко друг к другу. Допустим, они совершают 100 оборотов в секунду (эта величина близка к реальности). Из теории Эйнштейна следует, что они излучают гравитационные волны с частотой 200 Гц – мимо наблюдателя, находящегося на некотором расстоянии, за каждую секунду проходит 200 «гребней волны». Поскольку гравитационные волны движутся со скоростью света (300 000 км/с), соответствующая длина волны составляет 1500 км. Что касается амплитуды, то в случае гравитационной волны это мера интенсивности, показывающая, насколько растягивается и сжимается пространственно-временной континуум. В этом отношении важно понять две вещи. Во-первых, амплитуда уменьшается с расстоянием. Вблизи орбиты ЧД возмущение пространственно-временного континуума сильнее, чем вдали от нее. Фактически амплитуда обратно пропорциональна расстоянию. Проще говоря, волны, уйдя в 5 раз дальше, становятся в 5 раз слабее».
А теперь перейдем к блоку о попытке словить гравитационные волны.
Первым конструкцию детектора таких волн в 1960-х предложил американский физик Джозеф Вебер. Он сделал ставку на резонанс.
«Берем в качестве детектора большой алюминиевый цилиндр. Подвергаем его точной механической обработке, чтобы он имел нужную нам собственную частоту. Подвешиваем на стальной проволоке, чтобы изолировать от колебаний окружающего пространства. С той же целью помещаем конструкцию в вакуумный сосуд. Подключаем к цилиндру пьезоэлектрические датчики. Ждем.
Если гравитационные волны существуют, то имеют широкий диапазон частот. Взрывы сверхновых, столкновения звезд, совершающие орбитальное движение ЧД – у каждого астрофизического события своя характерная частота. Достигнув Земли, они вызовут очень слабые колебания алюминиевого цилиндра. Остается надеяться, что частота некоторых волн Эйнштейна совпадет с собственной частотой цилиндра, вызвав в нем резонанс. Тогда его колебания станут более сильными, возможно даже измеряемыми. Более того, спустя секунды после прохождения волны цилиндр будет продолжать вибрировать, как камертон после удара. Пьезоэлектрические датчики зарегистрируют быстрое растягивание и сжатие образца, превращая малейшие изменения его длины в электрический сигнал.
В начале 1960-х гг. Вебер и его ученик Боб Форвард создали и испытали устройства, которые назвали «резонансными детекторами гравитационных волн» или «резонансными антеннами» и даже просто «антеннами Вебера». Как и следовало ожидать, они то и дело регистрировали слабые сигналы – нечто, выделяющееся из неизбежного фонового шума. Сверхновая в отдаленной галактике? Сталкивающиеся нейтронные звезды в нашей области космического пространства? Неизвестный энергетический процесс в центре Млечного Пути? Что это было, неведомо».
Не обладая достаточной гибкостью, точностью и чувствительностью, детекторы Джозефа Вебера не принесли науке большой удачи.
Новыми помощниками в деле ловли гравитационных волн стали случайно открытые пульсары:
«До 1967 г. слова «пульсар» не существовало. Оно было впервые употреблено в английской газете Daily Telegraph весной 1968 г. в статье, посвященной не часам, автомобилям, мотоциклам, лампам или приборам ночного видения, а поразительному открытию астрономов. Через 10 лет это открытие привело к первой непрямой регистрации гравитационных волн. <…>
Взрывы сверхновых должны были происходить в нашей Галактике в течение миллиардов лет. Поэтому в 1960-х гг. астрономы прекрасно знали, что в Млечном Пути находятся десятки миллионов нейтронных звезд, но не могли найти ни одной. Это неудивительно. Хотя поверхность новорожденной нейтронной звезды является невероятно горячей, ее площадь – всего несколько сотен квадратных километров. Совокупное высокоэнергетическое излучение относительно слабо. Даже находящуюся рядом нейтронную звезду было бы трудно обнаружить. Поэтому стало неожиданностью открытие, сделанное 24-летней студенткой-дипломницей Джоселин Белл. <…>
Радиотелескоп, в построении которого участвовала Белл, представлял собой конструкцию из деревянных опор, соединенных проводами, – нечто вроде телевизионной антенны старого типа, но намного больше. Недорогая система ловила космические радиоволны и каждый день выдавала около 30 м записей самописца, напоминающих данные сейсмографа. <…> Осенью 1967 г. надежда оправдалась. Белл обнаружила таинственный пульсирующий радиосигнал из маленького созвездия Лисы – короткий «пик» каждые 1,3 секунды, словно космический метроном. <…>
Через пару месяцев Белл нашла еще три аналогичных источника пульсирующих радиосигналов в совершенно других частях неба. Невероятно, чтобы четыре самостоятельные инопланетные цивилизации пользовались одним и тем же видом связи. Это природный феномен. Статья с сообщением об открытии была опубликована 24 февраля 1968 г. в журнале Nature. Возможное объяснение приводилось уже во вводной части: «Представляется, что излучение исходит от локальных объектов внутри галактики… и может быть связано с колебаниями белых карликов или нейтронных звезд». Вскоре, давая интервью Daily Telegraph, Энтони Хьюиш впервые употребил слово «пульсар» – сокращение от «пульсирующая звезда» (pulsating star)».
Физическая суть пульсаров:
«Вращающийся магнит создает электрический ток – владельцы электровелосипедов со старомодными генераторами знают, о чем я говорю. Электрический ток представляет собой поток заряженных частиц, а разогнанные частицы создают свет и другие формы электромагнитных волн, как объяснил Максвелл. Иными словами, намагниченные нейтронные звезды излучают электромагнитные волны в направлении своей магнитной оси. Из северного и южного магнитных полюсов нейтронной звезды устремляются в пространство мощные пучки радиоволн, света и даже рентгеновского излучения. (Обратите внимание: из северного и южного магнитных полюсов. В большинстве случаев они не совпадают с одноименными полюсами вращения. Это касается и Земли.) Итак, возникающие при вращении нейтронной звезды узкие пучки излучения пронизывают пространство подобно направленному лучу прожектора. Если ваш радиотелескоп окажется на пути одного из этих пучков, вы будете фиксировать короткий радиоимпульс с каждым оборотом звезды. Нейтронная звезда проявит себя как пульсар. (У некоторых пульсаров наблюдались также импульсы оптического и/или рентгеновского излучения.) Благодаря эффекту прожектора пульсары в принципе можно обнаружить, при условии что вы находитесь в нужном месте».
Открытие первого пульсара в двойной системе звезд:
«Нечто неожиданное произошло летом 1974 г. примерно во время скандала Уотергейт. Рассел Халс обнаружил особенно быстрый пульсар на расстоянии порядка 20 000 св. лет. Он совершал оборот за 59 мс, производя 17 чрезвычайно коротких радиоимпульсов в секунду. На тот момент это был второй самый быстрый пульсар, что само по себе делало его весьма интересным. Но недели через две, снова наблюдая пульсар, Халс заметил странность: период следования импульсов изменился, пусть несильно – менее чем на 1/10 000 секунды. Затем изменился снова, теперь в другую сторону. Халса это поразило. Разве пульсары не самые точные часы в природе? Как может массивный, сверхкомпактный нейтронный волчок внезапно ускориться или замедлиться? Постепенно Халс пришел к выводу, что пульсар должен быть частью двойной звезды. Если он взаимно обращается с другой, невидимой, звездой, то попеременно приближается к ней и удаляется от нее. Когда пульсар движется нам навстречу, его радиоимпульсы достигают Земли чуть более сближенными по времени – частота следования импульсов увеличивается. При движении от нас временные интервалы между импульсами слегка увеличиваются – частота уменьшается. Рассел Халс открыл первый пульсар в системе двойных звезд. Наблюдаемое Халсом изменение частоты называется эффектом Доплера».
Чем полезно это открытие?
«Чем так интересен пульсар в системе двойной звезды? Хотя бы тем, что помогает определить массу нейтронной звезды, что принципиально для понимания подлинной природы этих необычных объектов. Более того, зная массу и точную орбиту нейтронной звезды в системе, можно проверить некоторые предсказания ОТО Эйнштейна. Всю эту информацию можно получить, внимательно изучая время регистрации радиосигналов. Помните о законе сохранения углового момента (иначе – эффекте фигуриста)? Он объясняет, почему Евгений Плющенко вращается быстрее, когда прижимает руки к телу. Он же гарантирует, что массивные, быстро вращающиеся вокруг оси тела сохраняют вращение, пока на них не подействует внешняя сила».
Новое доказательство верности ОТО:
«Джо Тейлор и Джоэл Вайсберг понимали, что, если теория Эйнштейна верна, двойной пульсар должен терять энергию. Имеются два массивных компактных объекта, вращающихся вокруг друг друга с головокружительной скоростью. ОТО утверждает, что эти ускоряющиеся массы должны вызывать возмущение пространства-времени – гравитационные волны. Волны будут уносить энергию. Вследствие этого можно ожидать уменьшения орбитальной энергии пары нейтронных звезд. Медленно, но верно они будут сближаться по спирали. Орбита должна сужаться, период обращения по ней – сокращаться. Массы и орбита двойных нейтронных звезд известны с высокой точностью. Подставляем эти величины в уравнения Эйнштейна и получаем прогноз постепенного снижения орбиты. За год среднее расстояние между двумя нейтронными звездами должно уменьшаться на 3,5 м. Как вы понимаете, его трудно измерить с расстояния 20 000 св. лет. Но соответствующее сокращение периода обращения составляет 76,5 мкс в год, и оно скажется на интервалах поступления импульсов по крайней мере через пару лет. Так и случилось. В 1978 г. Тейлор, Вайсберг и их коллеги обнаружили, что результаты наблюдений полностью соответствуют предсказаниям ОТО. Эйнштейн был прав!»
Как словить гравитационные волны с помощью группы пульсаров?
«Радиоастрономы из Беркли Дон Бейкер и Роджер Фостер описали метод в статье «Организация решетки для изучения временной динамики пульсаров», опубликованной в 1990 г. в Astrophysical Journal. Они предложили следить за массивом миллисекундных пульсаров в разных частях неба – это и будет решетка. Наблюдая только один пульсар, нельзя быть уверенным, что временны́е изменения вызваны именно гравитационными волнами. Если же точно измерять время прибытия импульсов множества миллисекундных пульсаров в течение долгого времени, можно получить достаточно данных, чтобы выделить слабые изменения, появившиеся в результате прохождения низкочастотных гравитационных волн. Чем дольше измерять, тем выше шансы на успех. <…>
Советский астрофизик Михаил Сажин из Института астрономии им. Штернберга в Москве первым предложил использовать пульсары для прямой регистрации гравитационных волн наногерцового диапазона еще в 1978 г. Через год в Astrophysical Journal астроном Йельского университета Стивен Детвейлер также описал метод поиска гравитационных волн путем измерения времени прибытия излучения пульсаров, но пришел к выводу, что понадобится значительно повысить точность измерений, чтобы метод работал. <…>
Очевидно, чтобы найти низкочастотные волны Эйнштейна, наблюдая за слабыми изменениями времени прибытия импульсов, нужен исключительно стабильный пульсар. Более того, в идеале импульсы должны быть чрезвычайно короткими, что обеспечивало бы максимально точный тайминг».
Наконец, появилась та идея детектора, которая и позволила человечеству задокументировать приборами свою первую пойманную гравитационную волну. Вот как работает устройство лаборатории LIGO (коротко):
«Если вы хотите измерить меняющиеся длины двух плеч L, никакая линейка вам не поможет. Дело в том, что растягивается и сжимается сам пространственно-временной континуум, следовательно, все, что находится в нем, будет растягиваться и сжиматься вместе с ним. Если деформируется одно плечо L, то приложенная к нему линейка деформируется точно так же. Поэтому ученые оценивают изменение длины по изменению интервала времени, необходимого свету для того, чтобы дойти от одного края плеча до другого.
Одно из основных предположений ОТО – постоянство скорости света. Не важно, что происходит с пространственно-временным континуумом, свет всегда движется с одной и той же скоростью – 300 000 км/с. Таким образом, если пространственно-временной континуум растягивается в определенном направлении – если между двумя точками становится чуть больше пространства, свету понадобится на ничтожную долю секунды больше времени, чтобы попасть из точки А в точку В. Значит, вместо линейки нужно использовать часы».
Как в LIGO используется интерференция?
«Решением является интерферометрический метод. От его названия происходит буква «I» в аббревиатуре LIGO. Явление интерференции можно наблюдать на поверхности пруда. Если бросить в воду камень, возникают волны в виде концентрических кругов. Бросьте второй камень в нескольких метрах от первого, и от него также станут расходиться волны. Две группы волн пересекаются друг с другом. В определенных точках, куда гребни двух волн прибывают одновременно, те объединяются в более высокую волну. В других точках, где гребни волн одной группы встречаются с ложбинами другой, волны нейтрализуют друг друга. Возникает картина интерференционных полос – чередование вдвое более высоких и подавленных водяных волн. Свет ведет себя так же.
Два источника света, находящиеся в фазе, гребни и ложбины волн которых совпадают, взаимно усиливаются. Иными словами, амплитуда удваивается (энергия возрастает). Это так называемая усиливающая интерференция. Если же волны света находятся в противофазе, то есть гребни одной волны приходятся на ложбины другой, то они уничтожают друг друга. Это ослабляющая интерференция. Предположим, у нас имеются два луча оранжевого света с длиной волны 600 нм (0,6 мкм). Они испускаются в одной фазе, но в разных направлениях. Пройдя некоторый путь, оба луча отражаются от зеркала обратно в точку, откуда пришли. Если два зеркала расположены строго на одинаковом расстоянии от источника света, волны на момент встречи по-прежнему будут в фазе. Вследствие этого общий свет будет ярче каждого отдельного луча. Теперь допустим, что путь до одного из зеркал совсем немного удлинился – время прохождения светом пути увеличилось на одну фемтосекунду. Фемтосекунда – это одна миллионная миллиардной (10–15) доли секунды. За одну фемтосекунду свет проходит расстояние 300 нм. Тогда по возвращении к источнику одна световая волна будет отставать от другой на половину своей длины. Гребни и ложбины двух световых волн перестанут совпадать. Они окажутся не в фазе (в данном случае в противофазе, когда гребни одной волны точно совпадают с ложбинами другой). В результате волны нейтрализуют друг друга. Таким образом, с помощью интерферометра можно измерять различия времени прибытия импульсов с точностью до фемтосекунд. Возможно, и этого недостаточно для наших целей, но это уже кое-что. <…>
Как добиться идеального совпадения двух пучков света лазера по фазе? Это просто: взять один пучок и разделить его на два пучка с помощью светоделителя. <…> Что происходит при прохождении гравитационной волны? Длины плеч (и соответствующее время прохождения света) меняются. Сначала северное плечо удлиняется, а восточное укорачивается, затем северное сжимается, а восточное растягивается. Свету, возвращающемуся от одного концевого зеркала, требуется на исчезающе малую долю секунды больше времени, чтобы достичь светоделителя, чем свету, идущему обратно от зеркала в другом плече. Усиливающая интерференция в направлении лазера проявляется уже не на 100 %, как и ослабляющая интерференция в направлении фотодетектора. Даже при невероятно малом различии длин (намного меньшем, чем длина волны лазера) какой-то свет попадает в темный порт. Чувствительный фотодетектор может его уловить. Есть! Мы зарегистрировали гравитационную волну».
Как гравитационные волны могут помочь лучше понять рождение Вселенной?
«Если мы сможем зарегистрировать первичные гравитационные волны, то получим надежное свидетельство того, что инфляция Вселенной имела место. Возможно, мы даже сумеем опровергнуть хотя бы несколько инфляционных сценариев. К сожалению, инфляционные волны никогда не удастся зарегистрировать напрямую. После 13,8 млрд лет расширения пространства они приобрели длины в сотни миллионов световых лет, и у нас нет возможности их измерить. Но они оставили отметину на реликтовом излучении. Получив небольшую поляризацию из-за флуктуаций плотности в молодой Вселенной, оно также приобрело слабую поляризацию в ходе взаимодействия с первичными гравитационными волнами. Измерение поляризации космического фонового излучения, вызванной инфляционными волнами Эйнштейна, рассказало бы нам, что происходило в самую первую долю секунды после рождения Вселенной. Это уникальный шанс заглянуть за предел 380 000 лет, в самое начало пространства, времени, материи и энергии. Есть лишь одна проблема: поляризация, связанная с первичными гравитационными волнами, в тысячу раз слабее поляризации вследствие флуктуаций плотности, также ничтожной».
Вскоре два американских детектора LIGO (в Ливингстоне штат Луизиана и в Хэнфорде штат Вашингтон) стали работать совместно с европейским детектором VIRGO (рядом с Пизой в Италии). Построен подземный детектор подобного типа и в Японии (KAGRA). Более того, появился совместный проект НАСА и ЕКА, который планируется объединить с остальными, под названием LISA (Laser Interferometer Space Antenna) который вынесет идеи предшественников в космическое пространство, что позволит сделать детектор с невероятными размерами рукавов, а значит, и более чувствительными.
Мысль ученых заработала и еще в одном направлении. Теперь они стремятся не только зафиксировать гравитационную волну, но и определить ее источник и направить на этот источник все возможные «глаза» астрономов во всех доступных диапазонах. Для это требуется слаженная работа и обмен данными между обсерваториями по всему миру. Такими дополнительными «глазами» астрономов являются обсерватория Паранал в Чили, проект BlackGEM, радиотелескоп в Парксе…
Общие итоги и прогнозы:
«Очень сложно давать прогнозы, особенно на будущее, сказал голландский ученый Нильс Бор, современник Альберта Эйнштейна. В 1920-х гг. два великих физика спорили о природе реальности при личных встречах и в продолжительной переписке. Бор был пионером квантовой физики, а Эйнштейн серьезно сомневался в выводах из этой теории. Оба не могли предвидеть, что всего через 100 лет астрономы с помощью всемирной сети детекторов гравитационных волн будут изучать катастрофические события во Вселенной, а исследование волн Эйнштейна, порожденных столкновениями ЧД, станет шансом объяснить наконец фундаментальную несовместимость ОТО с квантовой теорией поля.
Даже сейчас сложно спрогнозировать состояние гравитационно-волновой астрономии в середине 2020-х гг. К тому времени пять гигантских детекторов будут караулить ничтожные возмущения пространственно-временного континуума, возможно составляющие лишь одну секстиллионную процента (1/10^23) и длящиеся от доли секунды до минуты. Столкновения и слияния нейтронных звезд и ЧД на расстояниях в несколько миллиардов световых лет, как ожидается, будут регистрироваться в среднем раз в неделю. Малые различия времени прибытия сигнала к пяти самостоятельным детекторам позволят точно вычислить направление на источник. Экстренные дополняющие наблюдения в рамках программ поиска электромагнитных проявлений дадут дополнительную информацию о столкновении и галактике, в которой оно произошло. Параллельное изучение временной динамики пульсаров силами SKA и других радиообсерваторий обнаружит фоновые волны Эйнштейна очень низкой частоты, излучаемые орбитальными движениями сверхмассивных ЧД повсюду во Вселенной. Отследив многие из этих наногерцовых волн, мы найдем гигантские двойные системы в относительно близких галактиках. Измерения поляризации реликтового излучения откроют для нас «отпечатки» первичных гравитационных волн, излученных в самую первую долю секунды после Большого взрыва. Все это «ожидаемые результаты» гравитационно-волновой астрономии. Однако практически каждый ученый, опрошенный мною в ходе работы над этой книгой, подчеркивал, что самыми революционными и потрясающими могут оказаться неожиданные результаты».
МОЕ МНЕНИЕ ОБ ИЗДАНИИ:
Качественное издание в традиционном для «АНФ» оформлении.
Формат стандартный (145x215 мм), твердый переплет, без суперобложки, 423 страницы, иллюстрации.
Достоинства издания: научный редактор (кандидат доктор физико-математических наук Олег Верходанов); хорошее качество печати; белая бумага; твердый переплет; наличие колонтитулов; хорошо выделенные заголовки; подробное оглавление; примечания и дополнительная литература (список); дополнение об открытиях в этой области, произошедших после выхода книги; предметно-именной указатель; иллюстрации (фото) и схемы; предисловие Мартина Риса.
Недостатки издания: не самая (субъективно) удачная и привлекательная обложка, оригинальная выглядит выигрышнее.
ПОТЕРЯЛ БЫ Я ЧТО-НИБУДЬ, ЕСЛИ БЫ ЕЕ НЕ ЧИТАЛ:
Больше да, чем нет. Эта книга о том, как работает настоящая наука и насколько она может расширить горизонт нашего понимания того мира, в котором мы живем. Книга подробно, последовательно и доступно объясняет такое явление, как гравитационные волны, а также значение исследований в этой области.
КОМУ ПОРЕКОМЕНДОВАЛ БЫ:
Тем, кого интересует передний край науки, исследование дальних горизонтов нашей Вселенной, астрофизика и астрономия, а также непосредственно история этих наук на протяжении последнего столетия.
ТЕГИ: Нон-фикшн, науч-поп, астрономия, астрофизика, звезды, космос, черные дыры, пространственно-временной континуум, время, относительность, гравитация, Эйнштейн, пульсары, исследования, история науки.
ВИДЕО В ТЕМУ: Ниже научная компьютерная визуализация слияния двух массивных черных дыр. 35 секунд, за которые происходит событие такого масштаба, вообразить который невозможно, зато сегодня мы уже способны обнаружить его отголосок – гравитационные волны.
https://www.youtube.com/watch?v=I_88S8DWbcU
https://vk.com/pavelmazheikabooksreview
https://t.me/pavelmazheikabooksreview
Другие мои рецензии на страницах:
Группа "ВКонтакте":
https://vk.com/pavelmazheikabooksreview
Канал в "Телеграм":