Гравитационные волны: за что вручена Нобелевка по физике
Нобелевская премия по физике в 2017 году вручена Кипу Торну, Райнеру Вайсу и Барри Баришу за открытие гравитационных волн. Без преувеличения, это новый этап в науке и огромный шаг в познании Вселенной.
Физика давно знает о существовании механических и электромагнитных волн. Они характеризуются тем, что переноса вещества в направлении распространения волны не происходит. Частицы лишь совершают колебания около положения равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой. В случае механических волн частицами могут быть атомы или молекулы среды, электромагнитные волны возбуждаются ускоренно движущимися зарядами.
Но пришло время признания нового вида волн - гравитационных! Их существование впервые было предсказано в 1916 году Альбертом Эйнштейном на основании общей теории относительности. А 11 февраля 2016 года участники проекта LIGO, главными действующими лицами которого являются Кип Торн, Райнер Вайс и Барри Бариш, объявили, что существование гравитационных волн доказано.
Чтобы представить себе гравитационные волны, проведем аналогию с привычными вещами: если бросить в воду камень, пойдут "круги". Вообразим на месте воды пространство-время нашей Вселенной, а черная дыра заменит камень. Эти волны представляют собой рябь пространства, распространяющуюся во времени со скоростью света.
Почти любое событие, сопровождающееся ускоренным передвижением массы, порождает гравитационные волны. При их прохождении между телами, находящимися, например, в состоянии свободного падения, расстояние между ними изменяется. Оно и является мерой амплитуды волны. Их обнаружение затянулось на десятки лет из-за технологических сложностей. Дело в том, что гравитация - очень слабое взаимодействие, амплитуда ее волн чрезвычайно мала. Поэтому для изучения нужно было "поймать" сигнал от массивных объектов. Таковыми являются пульсары, черные дыры, сверхновые. Проблема в том, что их взаимодействие в нашей Галактике - явление довольно редкое, происходит не чаще раза в десять-тридцать лет. А сигнал, идущий издалека, значительно затухает при преодолении огромных расстояний. Поэтому строительство проекта для поиска гравитационных волн заняло немало времени.
Как же были окончательно обнаружены неуловимые и загадочные волны? В лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO был построен детектор размером четыре километра. Он представляет собой четыре больших зеркала (каждое 34 сантиметра в диаметре), которые закреплены на концах двух перпендикулярных труб, - их называют плечами детектора. Чтобы избавить зеркала от вибраций, они помещались на несколько подвесов. Система находится в глубоком вакууме, чтобы свет не мог рассеяться на случайных частицах. При прохождении гравитационной волны зеркала начинают колебаться. Свет отражается от них, потом собирается на разделителе. Фаза света изменяется при воздействии гравитационной волны, что и регистрирует интерферометр.
Слияние двух массивных черных дыр вызвало гравитационную волну, в буквальном смысле раскатившуюся по Вселенной. Она была зарегистрирована 14 сентября 2015 года в 9:50:45 двумя детекторами LIGO, с разницей в несколько миллисекунд. Их масса была в 29 и 36 раз больше солнечной, а находился источник на расстоянии 1,36 миллиардов световых лет от Земли. Амплитуда колебаний, достигнув детекторов, составила 10-21. И лишь через четыре месяца коллаборация LIGO провела пресс-конференцию, где подтвердила открытие гравитационных волн. Все это время потребовалось на анализ и подтверждение достоверности результатов.
На данный момент зарегистрировано четыре всплеска гравитационных волн. Введен в эксплуатацию третий детектор, VIRGO. Он позволяет гораздо более точно определять направление, откуда пришла волна.
Доказательство существования нового типа волн показало правильность геометрического подхода к гравитации, на котором основана общая теория относительности. Возможно, именно благодаря гравитационным волнам мы получим ответы на самые сложные вопросы о Вселенной.
