На этой неделе было объявлено, что американские физики Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэрриш удостоились Нобелевской премии по физике за создание детектора гравитационных волн и доказательство их существования.
О том, почему это так важно и что собственно из себя представляют эти колебания, Realist’у рассказал Александр Рундель, физик, аспирант Ягеллонского университета (Краков, Польша).
Что такое гравитационные волны?
Это колебания пространства-времени, которые возникают во время масштабных событий в космосе (таких как слияние черных дыр) и передаются на большие расстояния. Это явление было предсказано в общей теории относительности Альберта Эйнштейна. В 2015 году его впервые удалось зарегистрировать.
(Развернутый ответ о том, что такое гравитационные волны — см. ниже)
Почему именно за это открытие досталась награда?
Чтобы за открытие наградили премией, надо убедить весь мир в двух вещах. Во-первых, результат исследования является именно открытием, а не следствием того, что «в соседней лаборатории передвигали мебель». (Также мы должны учитывать, что не все люди честные.) Во-вторых, сама суть открытия затрагивает актуальные вопросы физики. Исследование может иметь большое прикладное (использование в технологиях) или фундаментальное значение (позволит сделать оценку важных физических теорий).
К сожалению, сегодня мы можем уверенно говорить лишь о фундаментальном научном значении. Явления на Земле не имеют таких масштабов, чтобы вызвать гравитационные волны. И колебания, о которых нам известно достоверно, являются настолько малыми искажениями, что зарегистрировать их можно только дорогими приборами, размеры которых измеряются километрами.
Насколько далеки открытия физики от инженеров? Когда и как они становятся привычными нам технологиями?
Иногда между открытием и технологиями проходит более века. Примеры банальны: законы термодинамики и холодильник; электромагнитные волны и мобильная связь.
Предположу, что поскольку эти явления происходят в космосе, то, наверное, и применение найдется там. К примеру, вы знаете, что уравнения специальной теории относительности используют в GPS? Без учета «релятивизма» в движении сигналов между приемниками GPS и спутниками не удавалось достичь метровой точности.
К слову, Эйнштейну дали премию за открытие фотоэффекта. Сейчас это явление работает на нас во всех камерах. И предугадать, как будет использоваться теория — тяжело. Например, тому, кто открыл ДНК, мы благодарны за новые технологии в криминалистике.
Развернутый ответ о том, что такое гравитационные волны
Стоит начать с того, что такое теория относительности и для чего она понадобилась.
Началось все в XIX веке. Стало ясно, что свет, который излучают небесные тела, достигает наших глаз не мгновенно, а через достаточно ощутимое время. Встал вопрос о ее величине. Но в классической физике этот вопрос зависит от того, где находится наша система отсчета.
Задача о «кораблях»
В школе мы решали задачи типа: «Корабль в озере плывет со скоростью X. Затем тот же самый корабль плывет в реке, где скорость течения Y. Найти его скорость относительно берега.»
В данном случае мы знаем: 1) скорость корабля относительно воды, в которой он плывет; 2) когда точка отчета берег, то скорости корабля и воды складываются (с учетом направления).
Если представить, что свет движется, как тот корабль (только гораздо быстрее), то надо учитывать движение Земли, на которой сидим мы, наблюдатели света. Плюс, наша планета Земля вращается вокруг Солнца, а оно — вокруг центра нашей галактики
И поскольку скорость вращения Земли вокруг Солнца составляет примерно 30 км/с, да и скорость светила тоже немаленькая, то эту разницу могли бы измерить. Но эксперимент Майкельсона-Морли показал, что такой разницы нет. Свет со всех сторон приходит от нас с одинаковой скоростью.
В рамках классической физики такое явление невозможно.
Вагон времени-пространства
Эйнштейн использовал математические работы, тогда уже были, но воспринимались лишь как «математическая игрушка» (см. Википедия: Пространство Минковского). На основе этих работ он разработал концепцию пространства-времени, где время и пространство нельзя разделить.
Есть такая иллюстрация. Представим вагон метро. В его концах стоят наблюдатели, а посередине — лампочка. Если мы будем смотреть на это, находясь в этом же вагоне, то свет от лампочки достигнет людей одновременно. Если мы будем смотреть с платформы, вдоль которой едет вагон, тогда свет достигнет наблюдателей в разное время.
Теорию, которую построил Эйнштейн, пользуясь таким временем-пространством, сейчас называют «специальной теорией относительности». В ней возможны ситуации, когда одновременность событий является относительной, как в случае с нашим вагоном.
Возвращаемся к гравитации
Математика говорит, что если и существует то, что движется относительно нас со скоростью большей, чем свет, то оно не может на нас влиять и не может быть зарегистрировано. Поэтому вопрос о существовании таких миров, строго говоря, не является научным на данном этапе развития.
Возвращаемся к гравитации. В специальной теории относительности оставался один открытый вопрос. Если ничто не движется быстрее света, то как силы притяжения к удаленным телам (Земля и Солнце) могут мгновенно почувствовать изменение положений относительно друг друга?
Использовав еще более сложный математический аппарат, Эйнштейн разработал общую теорию относительности. Чтобы понять, насколько сложны эти уравнения, отмечу, что студенты не всех направлений проходят эту теорию (речь идет о физфаках в нашей и других странах, которые унаследовали советскую методику).
Если эти сложные вещи объяснить по-простому: гравитационное притяжение массивных тел является следствием того, что каждое из них искривляет пространство вокруг себя. Небесное тело движется в искривленном пространстве, а внешне это выглядит как притяжение.
Один американский преподаватель остроумно визуализировал эту концепцию. Он натянул ткань, чтобы она выступала в роли «пространства». Посредине он положил большой шар и рядом с ним шары поменьше. Тяжелый груз образовал ямку, в которую все закатывалось.
Если мы предположим, что это простыня имеет собственную «инерцию», а массивное тело движется быстро, то по простыне пойдут волны.
И если тела имеют большую массу, но при этом очень малы (черные дыры), то при их столкновении и слиянии (коллапсе) может пойти такая волна искажения времени-пространства.
Фото: wikipedia.org
