Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Все изменилось осенью 1936 г. Натан Розен принял предложение работать в Советском Союзе, и ассистентом Эйнштейна стал польский физик Леопольд Инфельд. Космолог Говард Робертсон объяснил Инфельду заблуждение Эйнштейна и Розена. (Робертсон, кстати, и был рецензентом статьи в Physical Review. ) К тому моменту, когда Инфельд сообщил своему руководителю о проблеме, Эйнштейн и сам обнаружил ошибку. Даже Натан Розен в далеком Киеве заметил эту проблему, имевшую сложный для непосвященных математический характер.

Статья в конце концов вышла в январе 1937 г. в Journal of the Franklin Institute в значительной переработке. Эйнштейн изменил и название. Как и публикация 1918 г. (тоже исправленный вариант более ранней статьи), она стала называться «О гравитационных волнах». Вот ее смысл: мы не можем доказать, что эти неуловимые волны не существуют, но и в их существовании мы не уверены.

К тому моменту ОТО было почти 25 лет. Но ученые продолжали оспаривать существование предсказанного теорией феномена. Это положение сохранялось следующие 20 лет. Когда Эйнштейн умер в 1955 г., физическая реальность гравитационных волн по-прежнему вызывала серьезную полемику, а их свойства оставались практически неизвестными. Например, менее чем через три месяца после смерти Эйнштейна Розен заявил, что гравитационные волны не могут переносить энергию – завуалированный способ сказать, что они не имеют реального физического существования. Но через полтора года мнения начали меняться, особенно после того, как физики-теоретики Феликс Пирани и Ричард Фейнман и космолог Герман Бонди доказали, что они все-таки могут переносить энергию. Гравитационные волны стали считаться реальным физическим феноменом. Оставалась лишь одна проблема – как их обнаружить.

Прежде чем продолжить, важно создать отчетливое представление о гравитационных волнах. Уверен, вы слышали фразу «рябь пространства-времени». Возможно, вы также видели компьютерную анимацию слияния ЧД, когда двухмерная плоскость покрывается спиральными складками. Я попытаюсь по-другому описать таинственные волны Эйнштейна. («Волны Эйнштейна» не научный термин. Но мне нравится это выражение, и я позволяю себе использовать его в качестве синонима понятия «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 . Чтобы мысленно увидеть это, давайте сначала рассмотрим одномерное «пространство» – прямую линию. Представьте туго натянутую скакалку. Можно пустить волну по ней, равномерно поднимая и опуская один из концов, но для понимания волн Эйнштейна этот образ совершенно не подходит. Помните, что речь идет о волнах самого пространства (и в самом пространстве). В случае одномерного пространства мы должны представить волны в пределах этого единственного измерения.

Резиновая скакалка обладает определенной эластичностью. Ее можно немного растянуть в одном месте и немного сжать в другом, так что общая длина не изменится. Она остается одномерной прямой линией, но в ней распространяются продольные волны. Мысленно нанесите на скакалку деления с шагом в один миллиметр. При распространении в скакалке продольной волны вы увидите, что деления сначала отдаляются друг от друга, а затем сближаются. Это правильная визуализация одномерной гравитационной волны: пространство попеременно растягивается и сжимается.

Теперь 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».

А волны Эйнштейна в трехмерном пространстве? Незачем напрягать воображение, представляя возмущение гипотетического четвертого измерения. Это всего лишь волнообразное изменение «плотности пространства». Мысленно рисуем трехмерную миллиметровку, состоящую из кубиков, и наблюдаем, как их стороны удлиняются и укорачиваются перпендикулярно направлению волны по мере ее прохождения.

Волны в трехмерном пространстве являются, разумеется, трехмерными. Популярные схемы и фильмы, изображающие их в двух измерениях, создают ложное впечатление, что две вращающиеся по орбите ЧД испускают гравитационные волны только в горизонтальной плоскости. В действительности волны распространяются во всех направлениях. В одном направлении они могут быть сильнее, чем в другом, но избегайте видеть их только в плоскости орбиты.

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.

В зависимости от источника гравитационные волны могут сильно различаться частотами и амплитудами. (Если вы забыли, что такое частота, длина, амплитуда и скорость волны, вернитесь к главе 2.) 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.

(Это может показаться странным. Ведь сила гравитации или яркость источника света уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Если разнести две планеты в 5 раз дальше, их взаимное притяжение уменьшится в 25 раз. Увеличьте расстояние до звезды в 10 раз, и она станет в 100 раз бледнее. Однако в этих случаях мы рассматриваем энергию гравитационного поля или световой волны. В отношении волн Эйнштейна речь идет об амплитуде, действительно обратно пропорциональной расстоянию.)