Олег Фейгин - Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

Вспомним теорию всемирного тяготения Ньютона. Из нее следует, что между всеми телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения. Для сравнительно небольших тел «человеческого размера» гравитационные силы между ними малосущественны или даже несущественны, но в космических масштабах они определяют всю структуру Мироздания. Собственно и жизнь в глобальном масштабе определяется гравитационным полем нашей планеты, которая вращается вокруг Солнца. Ну а Солнечная система кружит вокруг галактического центра, Млечный Путь — вокруг общего центра местного галактического скопления, а оно — вокруг гипотетического сверхскопления скоплений звездных островов. И все это происходит в силу действия гравитационных сил.

Мы уже знаем, что общая теория относительности описывает вселенское кружение тел как следствие искажения массой вещества самой «ткани» пространства-времени. В общедоступной литературе по теории относительности обычно приводится упрощенная аналогия, в которой пространство наподобие эластичной пленки «прогибается» под действием масс небесных тел, образуя впадины и воронки. Например, модель Солнечной системы по Ньютону напоминает цепную карусель с планетами, удерживаемыми на своих орбитах цепями гравитации, а по Эйнштейну — это конусообразная чаша, продавленная Солнцем, наподобие кругового велотрека, в котором планеты-велосипедисты кружатся вокруг впадины центральной арены. Так общая теория относительности вводит парадоксальное представление, что кажущаяся сила тяжести на самом деле является проявлением искривления пространства-времени.

Проверить общую теорию относительности трудно, поскольку в обычных лабораторных условиях ее результаты практически полностью совпадают с тем, что предсказывает закон всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее несколько важных экспериментов были произведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной. Кроме того, общая теория относительности помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе, — например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звезд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца.

Часто говорят, что гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения, ведь, согласно общей теории относительности, тяготение возникает из-за искривления пространства-времени. Волны тяготения проявляют себя как колебания гравитационного поля, поэтому их часто образно называют пространственно-временной рябью.

Гравитационные волны были теоретически предсказаны еще Эйнштейном. В их существовании физики мало сомневаются, но они всё еще дожидаются своего первооткрывателя ( рис. 21цв. вкл.).

Мир будущего — парение вне гравитации

Сверхскопление галактик

Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения необходимы ускорения, но не любые. Цилиндр, который вращается вокруг своей оси симметрии, испытывает ускорение, однако его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле станет периодически изменяться, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.

Величина волн, якобы зарегистрированных Вебером (и тут же получивших название «волны Вебера»), в миллионы раз превышала теоретическую величину, которая следовала из теории тяготения Эйнштейна. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрономы уже давно подозревали, что в центральной области Млечного Пути скрывается какое-то сверхмассивное тело, являющееся кандидатом в гравитационные коллапсары ( рис. 22цв. вкл.). Такая гипотетическая гигантская застывшая звезда или даже система из нескольких чудовищных черных дыр может постоянно поглощать множество окружающих звезд, выбрасывая при этом часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения. В начале нашего столетия астрофизики самым тщательным образом исследовали спектр излучения из центра нашей Галактики, подтвердив наличие кандидата в черные дыры и отринув обвинения предполагаемого коллапсара в космическом каннибализме. Таким образом, самые последние астрономические наблюдения никак не прояснили ситуацию. Тем временем вот уже полстолетия физики из всех стран мира пытаются экспериментально зафиксировать волны Вебера на разнообразных детекторах, вплоть до самых причудливых конструкций, без каких-либо значимых результатов.

Ученые до сих пор теряются в догадках, как объяснить удивительные результаты опытов Вебера. Однако надо признать, что усилия экспериментаторов не пропали даром, и хотя им не удалось непосредственно обнаружить гравитационные волны, интерес научной общественности к данной проблеме позволил начать строительство нескольких установок и даже запланировать полет космической гравитационной обсерватории. Оптимисты даже считают, что в отдаленном будущем гравитационное излучение будут не только наблюдать, но даже использовать для передачи энергии и информации.

Мощный источник гравитационных волн возник при рождении нашего мира в Большом взрыве, на стадии мгновенного расширения Вселенной — космологической инфляции. Этот процесс породил такие сверхмощные гравитационные волны, что их остатки должны были сохраниться до настоящего времени. Их открытие, несомненно, станет сенсацией, и его трудно будет переоценить, ведь в реликтовых волнах раннего этапа Большого взрыва закодирована информация о строении «зародышевой» Вселенной.

Реально обнаружить волны тяготения можно, найдя подходящий космический источник гравитационного излучения. В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. Мощность гравитационного излучения такой системы возрастает, если траектории звезд сильно вытянуты, тем более если двойная система состоит из нейтронных звезд или черных дыр. Такие системы подобны гравитационным маякам в космосе — их излучение имеет периодический характер.