Сергей Бузиновский - Знак вопроса, 1995 № 03

Гравитация влияет практически на все вокруг нас. Не будь ее, молекулы воздуха с нашей планеты моментально улетучились бы в космос. Под воздействием гравитации текут реки, рушатся горы, стоят дома, действуют плотины и маятники часов. Гравитация же отвечает за то, что нас не сбрасывает с вращающегося земного шара, хотя скорость вращения и немаленькая: на экваторе она составляет 500 м/с. Да и сами Солнце, Земля и другие звезды и планеты вряд смогли бы возникнуть без гравитации; согласно существующим ныне представлениям, все небесные тела слиплись из гигантских облаков пыли и газа именно под действием гравитации.

Более 300 лет тому назад итальянец Галилео Галилей установил, что одна и та же сила притягивает к Земле камень и удерживает Луну при ее движении по орбите вокруг Земли. На долю его английского коллеги Исаака Ньютона выпала судьба перевести эти понятия из качественной в количественную форму, т. е. создать первую теорию гравитации. Суть своих рассуждений Ньютон выразил в законе всемирного тяготения. В соответствии с ним гравитация — это сила, действующая между двумя телами в пространстве пропорционально квадрату расстояния между ними, а также зависит от массы самих тел — чем больше масса, тем больше сила. С помощью этого закона можно рассчитать и объяснить очень многое, начиная от падения яблока с яблони и кончая обращением планет по своим орбитам. Однако саму природу гравитации Ньютон объяснить все-таки не смог.

Следующую попытку сделал в 1905 году всем известный Альберт Эйнштейн. Согласно его общей теории относительности, сила тяжести — собственно никакая не сила, а скорее свойство пространства и времени. Материя, как утверждал Эйнштейн, «искривляет» пространство. В качестве простейшей картинки, иллюстрирующей это представление, можно вообразить себе натянутое резиновое полотно — пусть оно будет символизировать мировое пространство. Положим на это полотно стальной шарик — модель Солнца. Своим весом шар прогнет полотно. И если теперь мы покатим по полотну маленький шарик-планету, то траектория его пути обязательно изменится; он будет скатываться по уклону, как бы притягиваться шаром-Солнцем. «Поле тяготения как бы искривляет пространство-время», — полагал Эйнштейн.

И на это искривление, согласно теории относительности, реагируют не только массивные тела, но даже световые лучи и само время. Луч света, исходящий от далекой звезды, проходя мимо Солнца искривляется в его поле тяготения, и это искривление фиксируется приборами. Атомные часы, работающие на Земле, в конце концов отстают от таких же часов, помещенных на орбиту, в невесомость. Это значит, что при усилении силы гравитации время течет медленнее.

Эйнштейн также предсказывал, что в пространстве должны существовать гравитационные волны; при взрывах звезд структура пространства — времени должна нарушаться, по нему как бы пробегает некая «рябь». В нашей модели с резиновым полотном это можно представить себе как раскачивание, колебание полотна, приводящее к высвобождению маленького шарика, приткнувшегося к боку большого.

В свою очередь, гравитационные волны должны приводить к искажению материи, сквозь которую они пролетают. И вот это искажение, которое должно подтвердить правильность рассуждений Эйнштейна, и стараются ныне уловить ученые многих стран. Например, вот какой оригинальный эксперимент придумали и осуществили в наши дни американские ученые из Лаборатории реактивного движения в Пассадине совместно со своими коллегами из Европейского космического агентства.

Исследователи решили воспользоваться благоприятным расположением трех космических аппаратов — марсианского зонда, межпланетного аппарата «Галлилей», запущенного к Юпитеру, и солнечного зонда «Улисс». Каждый из этих аппаратов в заданном ему направлении и вовсе, казалось бы, не предназначен для участия в поисках гравитационных волн. Но в том-то как раз и заключается красота, изящество этого эксперимента, что побочные результаты могут быть получены без дополнительных расходов и усилий.

Как мы уже говорили, гигантские возмущения в гравитационных полях наиболее массовых звезд и галактик должны вызывать своего рода гравитационную ряб, распространяющуюся в пространстве со скоростью света. Волны этого пространства должны искать пространство и время, что, в свою очередь, приведет к искажению электромагнитного излучения — света и радиоволн. А это искажение уже довольно несложно выявить при помощи современной аппаратуры.

Доктор Френк Эстабрук, физик из Лаборатории реактивного движения НАСА, объясняет, что электромагнитные сигналы, используемые в этом эксперименте, представляют собой пучки микроволнового излучения, посылаемые антеннами радиотелескопов, которые расположены в Австралии, Испании и Калифорнии. Обычно эти сигналы используются для управления космическими аппаратами на больших расстояниях от Земли. На сей раз роль их будет несколько иная.

Каждый сигнал представляет собой некий эталон, частота излучения которого строго контролируется атомными часами. Этот сигнал доходит до того или иного космического аппарата. Тот усиливает его и отправляет обратно. Посланная частота затем сравнивается с частотой вернувшегося сигнала. Она должна быть несколько иной из-за доплеровского смещения, вызванного относительным движением космического аппарата относительно нашей планеты, а также солнечным ветром — потоком электрически заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Ученые также надеются, что после учета этих двух искажений останется еще некое смещение частоты, которое можно будет отнести на счет проходящих гравитационных волн.

Дело в том, что согласно теории гравитационные волны должны иметь очень большую длину. И заметить их можно лишь с помощью датчиков, разнесенных на весьма солидное расстояние. Как раз на таких расстояниях от Земли и находятся рассматриваемые аппараты: дистанция до «Улисса» составляет около 600 млн. км, марсианский и юпитерианский зонды ушли в противоположную сторону от Земли и Солнца на расстояние порядка 100 млн. км. Таким образом, имеется база в 700 млн. км, которая, как надеются ученые, и поможет им засечь гравитационные волны.

В момент, когда пишутся эти строки, благополучно завершена первая часть эксперимента — получены и зафиксированы отраженные сигналы.

Впрочем, даже если в результате этого и некоторых других экспериментов и удастся зафиксировать гравитационные волны, это вовсе не значит, что ученые так уж здорово продвинутся вперед в познании тайн гравитации, а тем более в познании способов управления ею.

В конце 80-х годов некоторые ученые, и прежде всего академик А. А. Логунов, высказали предположение, что Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности (ОТО) допустил некоторое количество ошибок. Например, «принятие ОТО с необходимостью ведет к отказу от фундаментальных законов сохранения», — пишет Логунов. Кроме того, автору теории относительности фактически пришлось отказаться от интерпретации гравитационного поля в обычном для физики смысле, каким наделили понятие «поле» его творцы, Фарадей и Максвелл.