Брайан Грин - Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

Рис. 14.2.Гравитационные волны являются рябью ткани пространства-времени

Хотя гравитационные волны сейчас воспринимаются как следствие общей теории относительности, но в течение многих лет этот вопрос тонул в путанице и разногласиях, по крайней мере отчасти из-за слишком большой приверженности философии Маха. Если бы общая теория относительности полностью включала бы в себя идеи Маха, то «геометрия пространства» явилась бы просто удобным языком для описания положения и движения массивных объектов по отношению друг к другу. В таком представлении пустое пространство было бы просто пустой концепцией, так какой же смысл был бы в волнообразном движении пустого пространства? Многие физики пытались доказать, что предполагаемые волны в пространстве — это всего лишь неверная интерпретация математики общей теории относительности. Но при должном подходе теоретические рассмотрения сходятся на одном верном выводе: гравитационные волны реальны, и по пространству могут распространяться волны.

С каждым проходящим пиком и впадиной гравитационная волна будет растягивать пространство (и всё в нём) в одном направлении и сжимать пространство (и всё в нём) в перпендикулярном направлении, как это показано на рис. 14.3. В принципе, можно обнаружить прохождение гравитационных волн, периодически измеряя расстояние между различными точками и обнаружив, что отношение этих расстояний периодически меняется.

Рис. 14.3.Проходящая гравитационная волна растягивает объект сначала в одном направлении, затем — в другом (ради наглядности искажение пространства на этом рисунке очень сильно преувеличено)

Но на практике ещё никто не сумел сделать это, так что никто прямо гравитационные волны пока не обнаружил. (Однако есть веское, пусть и косвенное, подтверждение их существования.) {187} Трудность состоит в том, что возмущение от проходящей гравитационной волны обычно чрезвычайно мало. Атомная бомба «Тринити», испытанная 16 июля 1945 г. и равная по мощности 20 тыс. т тротила, вызвала столь яркое свечение, что наблюдателям, находившимся на расстоянии многих километров от места взрыва, нужно было защищать глаза, чтобы не повредить их электромагнитными волнами, которые сгенерировал взрыв. И всё же, даже если бы вы стояли прямо под тридцатиметровой стальной вышкой, на которой была взорвана бомба, то гравитационные волны, порождённые взрывом, растянули бы ваше тело в каком-либо направлении всего лишь на ничтожную долю размера атома. Вот насколько слабы гравитационные возмущения. Это даёт представление о трудности технологических проблем, связанных с обнаружением гравитационных волн. (Поскольку гравитационную волну можно также рассматривать как громадное количество гравитонов, движущихся скоординированным образом, — точно так же, как электромагнитную волну можно считать состоящей из громадного количества скоординированных фотонов, — то это также даёт представление о трудности обнаружения отдельного гравитона).

Конечно, у нас нет никакого специального интереса искать гравитационные волны от взрыва атомного оружия, но ситуация с астрономическими наблюдениями ничуть не легче. Чем ближе к нам и чем массивнее астрономический объект, а также с чем большим ускорением он движется, тем сильнее излучаемые им гравитационные волны. Но даже если взорвётся и станет сверхновой звезда, удалённая от нас на расстояние 10 000 световых лет, то достигшая Земли гравитационная волна растянет метровый стержень лишь на миллионную от миллиардной доли сантиметра, что составляет примерно сотую часть размера атомного ядра. Так что если только не произойдёт невероятное астрономическое событие катастрофического характера относительно недалеко от нас, то обнаружение гравитационной волны потребует аппаратуры, способной регистрировать чрезвычайно малые изменения расстояний.

Учёные, спроектировавшие и построившие лазерный интерферометр LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory — лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории), приняли этот вызов. (Этот проект был запущен совместно Калифорнийским технологическим институтом и Массачусетским технологическим институтом и финансировался Национальным фондом науки США). LIGO является впечатляющей установкой, а ожидаемая чувствительность поражает всяческое воображение. Она состоит из двух полых труб, каждая из которых составляет четыре километра в длину и чуть более метра в ширину; эти трубы расположены в виде гигантской буквы L. Для достижения огромной точности измерения относительной длины труб используется лазерный свет, одновременно посылаемый в вакуумные туннели внутри каждой трубы и отражаемый безупречно отшлифованными зеркалами на концах труб. Идея состоит в том, что если гравитационная волна пройдёт через установку, то она растянет одну трубу относительно другой, и если это растяжение будет достаточно большим, то учёные смогут обнаружить его.

Трубы сделаны столь длинными из-за того, что растяжение и сжатие, вызываемое гравитационной волной, пропорционально длине объекта. Если гравитационная волна растягивает четырёхметровый стержень, скажем, на 10 −20м, то она вытянет четырёхкилометровый стержень уже на 10 −17м, т. е. в тысячу раз больше. Поэтому чем длиннее объект, тем легче обнаружить изменение его длины. С целью усиления этого эффекта в экспериментах LIGO лазерные лучи совершают более сотни пробегов между зеркалами на противоположных концах каждой трубы, что увеличивает «эффективную длину» до 800 км. Благодаря таким уловкам и инженерному искусству установка LIGO сможет обнаружить изменение длины трубы, превосходящее триллионную долю толщины человеческого волоса или сто миллионную долю размера атома.

Но это ещё не всё: на самом деле есть две такие L-образные установки. Одна находится Ливингстоне (штат Луизиана), а другая примерно на расстоянии 3500 км от неё в Хэнфорде (штат Вашингтон). [87]Если гравитационная волна от некоего удалённого астрофизического взрыва докатится до Земли, то она должна оказать одинаковое воздействие на каждый детектор, так что любая волна, пойманная в одной экспериментальной установке, должна обнаружиться и в другой. Это важная проверка на состоятельность, поскольку при всех принятых мерах предосторожности возмущения из повседневной жизни (громыхание проезжающего грузовика, скрежет бензопилы, сотрясение от упавшего дерева и т. д.) могут быть приняты за воздействие гравитационных волн. Требование соответствия показаний удалённых детекторов обеспечивает исключение таких ложных проявлений.