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

Кроме того, нужно понять, что амплитуда гравитационных волн непостижимо мала. Я сравнил безвоздушное пространство с сосудом с желе. Но лучше было бы сравнить его с бетонным блоком. Если слегка качнуть банку с желе, все оно начнет колыхаться. Даже ударив по бетонному блоку кувалдой, вы едва ли заметите распространяющуюся в массиве бетона волну. Дело в том, что бетон гораздо плотнее желе. Пространственно-временной континуум обладает исключительной жесткостью. Его трудно деформировать, изогнуть, растянуть или сжать. Нужно очень много энергии, чтобы вызвать даже самое слабое возмущение.

Итак, вот характеристики сигнала гравитационной волны двух взаимно обращающихся ЧД. Скорость равна скорости света, частота 200 Гц, соответствующая длина волны 1500 км, амплитуда обратно пропорциональна расстоянию между наблюдателем и парой ЧД, но в любом случае чрезвычайно мала.

Что изменится в случае намного более массивных ЧД? Если бы они также совершали по орбите 100 оборотов в секунду, то частота (и, конечно, длина) волны была бы точно такой же, но амплитуда увеличилась бы благодаря большим массам.

Однако амплитуда зависит еще и от ускорения движения ЧД по орбите. Если сильнее их сблизить, так, что они начнут вращаться быстрее, амплитуда еще больше возрастет. Увеличится и частота: при меньшем расстоянии между ними ЧД будут иметь меньший период обращения. Таким образом, если ЧД сближаются по спирали, как амплитуда, так и частота сигнала гравитационной волны нарастают. Именно это обнаружили детекторы LIGO в сентябре 2015 г., когда впервые зарегистрировали волны Эйнштейна.

Я мог бы еще о многом рассказать, но приберегу это для следующих глав. Пора вернуться к более увлекательным историям – в данном случае о том, как двое ученых едва не подрались в полном конференц-зале.

Джозеф Вебер знал о драках все. Во Вторую мировую войну он был капитан-лейтенантом ВМС США и в мае 1942 г. чудом не утонул на «Лексингтоне», превращенном японцами в месиво горящей стали. Джо готовился праздновать 33-летие – он родился за 12 дней до момента, когда Артур Эддингтон вглядывался в облака над островом Принсипи.

После войны Вебер работал инженером-электриком в Мэрилендском университете в Колледж-Парке к северо-востоку от Вашингтона, получил степень доктора философии в области микроволновой спектроскопии и разработал фундаментальные основы лазеров и квантовых генераторов СВЧ-диапазона. Это были первые шаги к открытиям, которые принесут другим ученым Нобелевскую премию по физике за 1964 г.

Вебер заинтересовался релятивизмом и гравитацией в середине 1950-х гг., проведя годовой творческий отпуск в общении с гуру физики Джоном Арчибальдом Уилером в Принстоне и Лейдене. Искривленный пространственно-временной континуум, ЧД, замедление времени, гравитационные волны – интересно! Он поставил себе целью узнать об этом все, что сможет, и в 1961 г. опубликовал маленькую книгу «Общая теория относительности и гравитационные волны» (General Relativity and Gravitational Waves).

К тому времени, однако, он успел обнародовать идею, сделавшую его знаменитым – по мнению некоторых, печально знаменитым. Джо Вебер решил начать охоту за волнами Эйнштейна. Их теория обсуждалась долгие годы. Пора засучить рукава, создать инструменты и попытаться обнаружить волны экспериментально.

План был прост: мерить ежеминутное, периодическое изменение размера какого-либо объекта на Земле. Рано или поздно проходящая гравитационная волна растянет и сожмет пространство и все, что в нем находится . Бетонный блок действительно испытает крохотное увеличение и уменьшение в ответ на прохождение гравитационных волн. Изменение размера будет исчезающе малым, следовательно, его будет чрезвычайно трудно измерить. Более того, воспользоваться линейкой не удастся, поскольку и линейка увеличится и уменьшится.

Вебер нашел решение – собственные частоты.

Большинство предметов имеют определенную собственную частоту, при которой колебания резонируют и усиливаются. Пожилые обитатели Такомы – города в штате Вашингтон к югу от Сиэтла, помнят, как в ноябре 1940 г. рухнул огромный, только что построенный подвесной мост, соединивший город с полуостровом Китсап. Очевидно, частота собственных колебаний моста совпала с преобладающими частотами сильных порывов ветра в проливе Такома-Нэрроуз. Конструкция начала резонировать, раскачиваться и изгибаться, пока не развалилась. Посмотрите на YouTube киносъемку обрушения моста – это впечатляет.

Итак, вот план Вебера. 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.

(Впервые услышав о сотрудничестве Вебера с Робертом Л. Форвардом, я подумал: «Забавно, он тезка автора «Драконьего яйца» (научно-фантастического романа 1980 г. о жизни на поверхности нейтронной звезды)». Оказалось, это один и тот же человек. Он ушел из Мэрилендского университета в 1962 г.)

Эксперименты Вебера стали привлекать серьезное внимание в 1968 г., когда он использовал два одинаковых детектора – один в кампусе Университета Мэриленда в Колледж-Парке, второй почти в 1000 км на восток, в Аргоннской национальной лаборатории возле Чикаго. Он стремился исключить ложноположительные результаты. Грузовик, проехавший по Балтимор-авеню, мог вызвать вибрацию антенны в Колледж-Парке, но не в Чикаго. Гравитационные волны от взрыва сверхновой или столкновения звезд должны были регистрироваться в обоих местах одновременно – по крайней мере с интервалом в долю секунды, с учетом скорости волн и в зависимости от направления, в котором находится их источник.