Растягивают ли гравитационные волны свет? Триумф гравитации.

Всякое ускоренно движущееся тело, как утверждает теория Эйнштейна, испускает гравитационные волны. Мир вокруг нас заполнен ими, и в этом факте ничего не меняет то обстоятельство, что техника сегодняшнего дня еще не справилась с обнаружением этих волн. Ведь оттого, что четыреста лет назад человек и не подозревал о существовании радиоволн, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей, они не переставали излучаться звездами, просто земными предметами.

Нам не хватает только системы приборов, способной показать волны . Чтобы посылаемые радиостанцией электромагнитные колебания могли быть восприняты радиослушателями, их переводят в звуковые колебания. С одного «языка» техники на другой.

Гравитационные волны, говоря образно, новый незнакомый нам язык природы. Чтобы он был воспринят, надо сделать перевод, преобразование колебаний тяготения в механические или электромагнитные, например в световые. (А еще подобным научным исследованиям вовсе не помешает, например вложение денег , ведь инвестирование в науку всегда было очень перспективным).

Мне язык света кажется, во всяком случае, на первых порах, более удобным. А «переводимым текстом» могут послужить сравнительно мощные гравитационные волны, идущие к нам от рождающихся и двигающихся звезд и целых галактик.

При этом нужно использовать одно самое общее свойство, присущее гравитационной волне. Она является полем тяготения, а всякое поле тяготения влияет на распространение света. Это не только предсказано теорией относительности, но и вот уже сорок лет, как проверено на опыте и подтверждено.

Поле тяготения и перебрасывает мостик между гравитационной и световой волнами. Ведь всякое такое поле служит своего рода линзой, в которой луч света преломляется. Происходит его искривление и одновременно сдвиг фаз световой волны. Конечно, величина поля тяготения будет сравнительно мала, и искривление им луча практически заметить будет невозможно. Но вот сдвиг фаз обнаружить гораздо легче, тем более что прибор, способный отметить сдвиг фаз световой волны, уже существует. Это обычный (для физика, во всяком случае) интерферометр. В нем луч света от какого-то источника разделяется на два, проходящие разные расстояния и среды, а затем лучи совмещаются. Складываясь, оба луча дают так называемую интерференционную картину - чередования темных и светлых полос. При сдвиге фаз волны какого-либо из разделенных лучей эта картина смещается.

Теперь представим себе, что два взаимно перпендикулярных световых луча пересекутся с гравитационной волной. Всякая линза по-разному изменяет лучи, идущие через нее в разных направлениях.

Это относится и к линзе - полю тяготения. И вновь совмещенные два луча уже не совпадут полностью. Результат - смещение полос интерференционной картины. Смещение происходить будет редко - с частотой, равной частоте гравитационной волны. Но из расчетов следует, что чем меньше эта частота, тем лучше. Видимо, этим методом удастся обнаруживать волны, имеющие всего одно колебание в год, в пять, в десять, в сотню лет.

Смещение полос в интерференционной картине должно быть очень невелико, но физика владеет методами, с помощью которых можно измерять фантастически малые величины. Главная трудность не в том, чтобы заметить и измерить колебания, вызванные гравитационной волной, а в том, чтобы выделить их среди других колебаний - случайных. Всякого рода шумы заставляют интерференционную картину беспорядочно смещаться. Даже случайные колебания молекул будут вызывать смещения полос, большие, чем вызванные волнами тяготения. Нужно будет отделить «самозванцев» от истинных посланцев космоса.

Представьте себе, что вы находитесь в парке между четырьмя столбами с радиорепродукторами. По радио передается понравившаяся вам песня, и вы хотите записать слова постоянно повторяющегося припева. Это было бы не трудно, и хватило бы одного репродуктора, если бы у каждого столба не играл мощный шумовой оркестр. А теперь придется поставить у каждого столба по магнитофону, записать все звуки, а потом, сравнив четыре записи, отбросить все, что в них не совпадает, и выделить одинаковые для всех пленок слова припева. Если припев повторили не четыре или пять, а сто, тысячу раз, задача соответственно облегчается.

Ради припева никто не будет проделывать такую процедуру, но для обнаружения волн тяготения можно сделать и большее. Вместо одного интерферометра придется взять несколько и поставить их в совершенно одинаковые условия. Затем выделить колебания картин, одинаковые для всех интерферометров. Эти колебания и выдадут нам, наконец, гравитационные волны.

Перевод будет сделан - первый, приближенный, но очень важный. Важен здесь будет не только сам факт экспериментального подтверждения предсказаний Эйнштейна; волны, родившиеся при космических катастрофах, смогут сильно пополнить наши сведения об истории и строении мира.

XX век принес с собой множество удивительных открытий в самых разнообразных областях человеческих знаний, причем большинство из них с трудом укладываются в наши обыденные представления об окружающем мире. К числу явлений, оказавшихся в центре внимания современной науки, относятся и черные дыры — объекты-невидимки, полностью поглощающие любые излучения и ничего не излучающие сами. Прежде чем обратиться к астрофизическим свойствам черных дыр, приглядимся внимательно к той природной силе, которая рождает загадочные объекты, — гравитации. Ведь черная дыра — это своеобразный триумф тяготения.

Гравитация — это сила, которая управляет всей Вселенной. Она держит нас на Земле, определяет орбиты планет, обеспечивает устойчивость Солнечной системы. Именно она играет главную роль при взаимодействии звезд и галактик, определяя, очевидно, прошлое, настоящее и будущее Вселенной. Она всегда притягивает и никогда не отталкивает, действуя на все, что видимо, и на многое из того, что невидимо. И хотя гравитация была первой из четырех фундаментальных сил природы, законы которых были открыты и сформулированы в математической форме, она все еще остается неразгаданной загадкой.

Ньютон открыл закон всемирного тяготения, в котором гравитация была описана как сила притяжения между всеми телами без исключения. Величина ее прямо пропорциональна массам взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон всемирного тяготения наглядно иллюстрирует различные явления природы, в которых гравитация играет важную роль. С помощью этого закона можно не только объяснить движение небесных тел, но и разобраться в сложной проблеме строения и эволюции Солнца и звезд. Ученые пользуются этим законом для расчета траекторий космических аппаратов, времени стыковок на космических орбитах, запусков ракет.

Как действует этот закон, в принципе ясно, но вот причина, вызывающая притяжение масс, требует более глубокого понимания. Трудно себе представить, как ничем не связанные между собой планеты и звезды, удаленные друг от друга на гигантские расстояния, «узнают» о существовании друг друга. И сегодня, три столетия спустя после открытия гравитации, все еще не существует четкого понимания этого явления.

Процесс сжатия, при котором силы тяготения неудержимо возрастают, называется гравитационным коллапсом. Наше Солнце — шар, и если бы его внутреннее газовое давление не сопротивлялось действию тяготения, оно сжалось бы в точку всего за 29 минут! Вот насколько быстро гравитация расправляется со своими «жертвами», налагая при этом запрет на любые сигналы о состоянии коллапсирующего объекта, идущие наружу и несущие информацию. Посмотрим, почему это происходит.

Чтобы преодолеть силу притяжения небесного объекта и отправиться в космос, необходимо развить вторую космическую скорость, которая иначе называется скоростью убегания. Скорость убегания с поверхности объекта, имеющего достаточно большой радиус, невелика. Но если его радиус будет сокращаться под действием силы тяжести, величина скорости убегания будет расти и может достичь значения, равного скорости света, когда объект сожмется внутри некоторого критического радиуса, зависящего от начальной массы объекта. Объект исчезнет из видимой Вселенной для внешнего наблюдателя, так как его мощное поле тяготения не позволит излучению уйти с его поверхности.

Уже, исходя из теории тяготения Ньютона, можно предсказать возможность появления такого объекта, как черная дыра. В 1916 году Эйнштейн предложил принципиально новую теорию тяготения, названную Общей теорией относительности. Один из главных выводов этой теории — тесная связь между временем, пространством и распределением массы. Согласно Эйнштейну, пространство и время — это формы существования материи.

Исчезнет материя — исчезнут пространство и время. Масса изменяет геометрию пространства своей гравитацией. Геометрия пространства, ее изменение со временем, а также скорость течения самого времени зависят от распределения и движения материи в пространстве, которые в свою очередь зависят от его геометрии. Таким образом, геометрия пространства указывает материи, какие свойства она должна иметь, а материя указывает пространству-времени, как оно должно быть искривлено.

Любые массы искривляют пространство-время тем сильнее, чем больше эти массы. Когда большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то под действием собственного тяготения это вещество будет неудержимо сжиматься и наступит катастрофа — гравитационный коллапс. В процессе коллапса растут концентрация массы и кривизна пространства-времени, и, наконец, в результате сжатия наступает момент, когда пространство-время свернется так, что ни один физический сигнал не сможет выйти из коллапсирующего объекта наружу и для внешнего наблюдателя объект перестанет существовать. Такой объект и называется черной дырой. Немало усилий было затрачено теоретиками, чтобы разобраться в особенностях геометрии пространства-времени, связанного с черными дырами.

Согласно современной теории эволюции звезд, «умирая», каждая звезда становится или белым карликом, или нейтронной звездой, или черной дырой. Белые карлики известны уже много десятилетий и долгое время считались последней стадией любой звезды, но затем были открыты пульсары, и астрономы признали реальное существование нейтронных звезд. Теперь же ученые задумались о возможности реального существования самого удивительного класса умирающих звезд — черных дыр. К середине 60-х годов астрофизикам удалось рассчитать подробно структуру звезд и ход их эволюции, и они поняли, что существование устойчивых «мертвых» звезд, масса которых больше трех солнечных, невозможно. А так как во Вселенной достаточно много звезд с очень большими массами, астрофизики стали всерьез обсуждать возможность существования черных дыр, рассеянных повсюду во Вселенной. Массивные звезды стареют очень быстро. В процессе всей своей жизни они теряют массу, то есть выбрасывают вещество в пространство. Как правило, эволюция таких звезд заканчивается мощным взрывом — «вспышкой Сверхновой», в результате которой огромные облака звездного вещества выбрасываются в межзвездную среду. «Остаток» звезды сжимается под действием силы тяготения и может стать нейтронной звездой, то есть звездой, состоящей из вырожденного нейтронного газа. Именно внутреннее давление вырожденного газа противодействует силе гравитации и останавливает сжатие звезды. Однако если масса сжимающейся звезды превышает солнечную массу в 3 и более раз, никакая сила не может остановить процесс сжатия.

По мере сжатия напряженность гравитационного поля вокруг звезды все более нарастает. Теория Ньютона уже не может правильно описывать происходящие явления, и приходится обращаться к теории относительности Эйнштейна. В ходе нарастающего сжатия нарастает и искривление пространства-времени. Наконец, когда звезда сожмется до радиуса в несколько километров, пространство-время «свернется» и звезда исчезнет из видимой Вселенной, от нее останется только гравитационное поле — следовательно, произойдет рождение черной дыры.

Задача поиска и открытия черных дыр в космосе представляется на первый взгляд совершенно безнадежной, так как никакая информация, даже свет, не может вырваться с поверхности подобных объектов. Основной инструмент астрономов — телескоп бессилен в решении этой задачи. Но во Вселенной продолжает «жить» и действовать гравитационное поле черной дыры. Черная дыра поглощает световые лучи, проходящие вблизи нее, и отклоняет лучи, идущие на значительном расстоянии. Она может вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами: удерживать возле себя планеты или образовывать двойные системы с другими звездами. Вещество, которое падает на черную дыру, разогревается до очень высоких температур и, прежде чем окончательно исчезнуть в черной дыре, выбрасывает во Вселенную интенсивное рентгеновское излучение.

Для поиска рентгеновских источников по всему небу в 1970 году на околоземную орбиту был запущен американский спутник «Ухуру», и с тех пор рентгеновские источники были открыты во многих двойных системах. В большинстве двойных систем, являющихся источниками рентгеновского излучения, масса невидимого компонента не превышает двух солнечных масс, а значит, это нейтронная звезда. Но некоторые объекты такого типа слишком массивны для нейтронных звезд. А потому предполагается, что в этом случае невидимым компонентом является черная дыра.

Первым кандидатом в черные дыры стал невидимый источник рентгеновского излучения Лебедь-X1, находящийся на расстоянии 8 000 световых лет от Земли. Видимый компонент этой двойной звездной системы — нормальная звезда с массой около 30 масс Солнца, а невидимый — с массой более чем 6 солнечных масс. А так как никакая нейтронная звезда не может содержать больше 3 масс Солнца, то отождествление Лебедя-Х1 с черной дырой представляется вполне вероятным. Но чтобы доказать, что это действительно черная дыра, в соответствии с теорией Эйнштейна, нужны детальные исследования процессов, происходящих в непосредственной близости от «горизонта событий».

Факт существования черных дыр очень важен для космологии, ведь он непосредственно свидетельствует о том, как Вселенная может скрывать большую часть своей материи.

Будущие космические миссии сосредоточат свое внимание главным образом на исследовании мощных супермассивных черных дыр в центрах галактик. Планируются также наблюдения и исследования так называемых джетов, выбрасываемых из окрестностей черных дыр в противоположных направлениях со скоростью, близкой к скорости света, и растягивающихся на миллиарды километров от черной дыры. Обсерватории, регистрирующие гамма-излучение, занимаются их исследованиями для того, чтобы понять механизм их образования. Предусматривается также спектроскопия очень высокого разрешения, которая, как надеются ученые, позволит измерить две основные характеристики черных дыр: массу и момент вращения. Еще планируется получение изображения в основаниях джетов в радиодиапазоне с очень высоким разрешением, что поможет выяснить, как «питаются» черные дыры и как создаются джеты.

Предполагается также создание новой рентгеновской космической обсерватории, более мощной, чем запущенная НАСА в 1999 году «Чандра», которая позволит разрешить «горизонт событий» супермассивных черных дыр в ядрах как близких галактик, так и Млечного Пути.

Людмила Князева, кандидат физико-математических наук

Возобновляемая энергия – последний писк моды в наши дни, а также, вероятно, необходимость и жесткое требование в будущем. Однако энергию не всегда можно добыть из ветра, солнца и воды – иногда нет возможности установить дорогие генераторы, иногда эти генераторы не работают как нужно в той или иной географической точке мира.

В тех местах, где не работают традиционные источники «зеленой энергии», либо нет финансовой возможности для закупки соответствующих генераторов, для добычи «бесплатного» и «экологически чистого» электричества идеально подойдет источник, который на планете Земля всегда в наличии – сила тяготения.

Каким бы ни казался далеким и этот факт для современного человека, пользующегося всеми благами цивилизации, один миллиард людей на планете мечтают хотя бы о постоянном надежном источнике света. Компания Therefore Products, опирающаяся на дизайн и инновации, верит, что она придумала такой источник света - GravityLight.

Принцип действия GravityLight достаточно прост –энергия тяготения конвертируется в электричество, которое затем конвертируется в свет. Многим это напомнит механические часы с кукушкой, где для завода нужно было перетянуть металлическую гирю вверх. GravityLight «заводится» очень похожим способом – вы прикрепляете мешочек, заполненный десятью килограммами песка (можно использовать землю, камни – что угодно) к ремню, проведенному через механизм устройства и поднимаете его вверх.

Гравитация тянет мешок с грузом вниз, механизм генератора вращается, генерируется электричество, от которого питается светодиод. Механизм заставляет мешок спускаться медленно, благодаря чему устройство производит свет около тридцати минут. А если снова поднять груз кверху, вы получаете еще 30 минут «бесплатного» света.

http://vimeo.com/53588182

Проект разрабатывается уже четыре года и призван заменить здорово коптящие (и, как это ни странно звучит, негативно влияющие на экологию) керосиновые лампы, все еще используемые в некоторых регионах мира. По словам создателей «гравитационного светляка», светоотдача у него выше чем у керосиновой лампы.

Компании уже удалось разработать действующий прототип, создатели решили воспользоваться сервисом коллективного финансирования Indiegogo, дабы собрать деньги на начало массового производства.

Целью кампании по сбору средств были 55 тысяч долларов, на которые Therefore Products намеревались обустроить выпуск первой мелкооптовой партии «гравитационных ламп» размером в 1000 штук. Первая тысяча будет произведена, оттестирована, и направлена тем, кто в таком источнике света нуждается.

Проект возымел большой успех у пользователей Indiegogo и уже собрал 400 000 $ (от 5 000 откликнувшихся). На эти деньги создатели лампы обещают улучшить GravityLight, удвоить эффективность и сделать возможной зарядку от этой лампы всяческих электронных устройств – например, сотовых телефонов (для зарядки которых жители некоторых уголков мира, преодолевают пешком десятки километров). Также обещают снизить цену, которая на данный момент равна 10 $, до пяти долларов.

Конечно, такая лампа не поможет накормить всех обитателей планеты. Но она хотя бы даст шанс тем, кто мечтает о бесплатном освещении по ночам (а не размышляет о том, обновить ли в этом году свой «айфон» или «айпад»).

Свет и гравитация

После того как Эйнштейн в 1905 году сформулировал специальную теорию относительности, он понял, что теория была неполной по крайней мере по двум причинам. Во-первых, в ней утверждалось, что никакое физическое взаимодействие не может распространяться с большей скоростью, чем скорость света, а это противоречило теории тяготения Ньютона, согласно которой сила тяжести между удаленными объектами возникает мгновенно. Во-вторых, теория была справедлива только для движения с постоянной скоростью. Поэтому в течение следующих десяти лет Эйнштейн напряженно работал, стараясь сформулировать новую полевую теорию гравитации и распространить свою теорию относительности на движение с ускорением 1 .

Впервые он заметно продвинулся в конце 1907 года, когда работал над большой статьей о теории относительности для научного ежегодника. Как я говорил раньше, мысленный эксперимент со свободно падающим лифтом, в котором находится наблюдатель, привел его к осознанию принципа, гласящего, что локальные эффекты в ускоренной системе и системе, находящейся в гравитационном поле, неразличимы.

Человек в закрытом лифте без окон чувствует, что его ноги прижимает к полу, но он не в состоянии сказать, из-за того ли это происходит, что лифт в космическом пространстве ускоренно движется вверх, или из-за того, что лифт находится в состоянии покоя в гравитационном поле. Если он вынет монетку из кармана и отпустит ее, она в обоих случаях будет падать на пол с ускорением. А человек, который плавает в невесомости в закрытом лифте, не будет знать, парит ли он потому, что лифт находится в свободном падении, или потому, что завис в невесомости в космическом пространстве 2 .

Эти соображения привели Эйнштейна к формулировке “принципа эквивалентности”, которым он будет руководствоваться, когда будет работать и над созданием теории гравитации, и над обобщением специальной теории относительности. “Я понял, что смогу продолжить или обобщить принцип относительности, распространив его на движение в ускоренных системах, а не только в тех, которые движутся с постоянной скоростью, – позже пояснил он, – и считал, что таким образом я одновременно буду в состоянии решить проблему гравитации”.

Он понял, что так же, как эквивалентны инертная и гравитационная массы, эквивалентны и все инерционные и гравитационные эффекты, например “поле ускорения” и гравитационное поле. Он понял, что все они – проявления одного и того же явления, которое мы сейчас иногда называем инерционно-гравитационным полем 3 .

Как заметил Эйнштейн, одним из следствий этой эквивалентности является то, что гравитация должна искривить световой луч. Это легко показать, используя мысленный эксперимент с лифтом. Представьте себе, что лифт ускоренно движется вверх, а лазерный луч входит через небольшое отверстие в одной из стенок. К тому времени, как он достигнет противоположной стены, пятно окажется немного ближе к полу, поскольку лифт продвинулся вверх. Если бы вы нарисовали его траекторию при движении через кабину лифта, она оказалась бы изогнутой из-за ускоренного движения лифта вверх. Принцип эквивалентности требует, чтобы этот эффект был одинаковым, когда лифт движется ускоренно вверх и когда он находится в состоянии покоя в гравитационном поле. Таким образом, при прохождении через гравитационное поле луч света должен казаться искривленным.

За почти четыре года, прошедшие после формулировки этого принципа, Эйнштейн не очень продвинулся в этом направлении, поскольку его отвлекла проблема световых квантов, и тогда он сосредоточился в основном на ней. Но в 1911 году он признался Мишелю Бессо, что устал заниматься квантами и опять вернулся к теории гравитационного поля, которая должна помочь ему обобщить теорию относительности. Решение этой проблемы заняло у него еще почти четыре года, и кульминацией этих усилий стало создание гениальной теории в ноябре 1915 года.

В статье “О влиянии силы тяжести на распространение света”, которую он послал в Annalen der Physik в июне 1911 года, он вернулся к своей идее 1907 года и сформулировал ее в виде строгого принципа. “В статье, опубликованной четыре года назад, мы уже пытались ответить на вопрос, влияет ли тяготение на распространение света, – начал он. – Мы теперь еще раз убедились в том, что один из самых важных выводов указанной работы поддается экспериментальной проверке”. В процессе вычислений Эйнштейн предсказывает величину отклонения света, проходящего вблизи Солнца, его гравитационным полем: “Луч света, проходя мимо Солнца, будет отклоняться на 0,83 угловой (дуговой) секунды”.

И на этот раз он формулировал теорию из первых принципов и постулатов, а затем, пользуясь уравнениями этой теории, вычислял значения некоторых характеристик, которые экспериментаторы могли бы проверить в своих опытах. Как и прежде, он закончил свою статью рекомендацией поставить эксперимент: “Так как звезды в соседней с Солнцем области неба становятся видимыми при полных солнечных затмениях, это следствие теории можно сравнить с опытом. Было бы очень желательно, чтобы астрономы поставили такой эксперимент” 4 .

Эрвин Финлей Фрейндлих, молодой астроном из Берлинской университетской обсерватории, прочитал статью и загорелся идеей провести описанный эксперимент. Но это невозможно было сделать до тех пор, пока не произойдет затмение и не будет виден свет от звезд, расположенных вблизи Солнца, а подходящего затмения не предвиделось еще три года.

Тогда Фрейндлих предложил попытаться измерить отклонение света звезд, вызванное гравитационным полем Юпитера. Увы, Юпитер оказался недостаточно тяжелым для решения этой задачи. “Если бы только у нас имелась гораздо большая планета, чем Юпитер! – пошутил Эйнштейн в письме Фрейндлиху в конце этого лета. – Но природа не считает нужным облегчать нам работу по открытию ее законов” 5 .

Теория, согласно которой световые лучи могут искривляться, поставила некоторые интересные вопросы. Повседневный опыт показывает, что свет распространяется по прямой линии. Плотники и строители сейчас используют лазерные уровни для проведения прямых линий при строительстве домов. Если лучи света искривляются при прохождении через области изменяющегося гравитационного поля, как можно определить прямую линию?

Траекторию светового луча, проходящего через меняющееся гравитационное поле, можно представить в виде линии, проведенной на сфере или деформированной поверхности. В этом случае самым коротким путем между двумя точками окажется кривая линия – например, геодезическая, которая на нашей планете представляет собой большую дугу или большую окружность. Возможно, искривление луча света означает, что ткань пространства, через которое проходит световой луч, изгибается под действием силы тяжести. Кратчайший путь через область пространства, деформированную вследствие гравитации, может оказаться довольно сильно отличающимся от прямых линий в евклидовой геометрии.

Появился еще один намек на то, что, возможно, понадобится новый тип геометрии. Эйнштейну это стало очевидно, когда он рассмотрел случай вращающегося диска. Когда диск вращается, с точки зрения наблюдателя, не участвующего в движении, длина окружности, которую он описывает, сокращается в направлении его движения. Диаметр окружности, однако, не претерпевает никаких сокращений. Таким образом, отношение длины окружности диска к ее диаметру уже не будет равно п. В таких случаях евклидова геометрия неприменима.

Вращательное движение является одной из форм движения с ускорением, так как в каждый момент времени точка на окружности претерпевает изменение направления движения, а это значит, что направление ее скорости изменяется (то есть возникает ускорение). В соответствии с принципом эквивалентности, поскольку для описания этого типа ускорения требуется неевклидова геометрия, она же должна описывать и гравитацию 6 .

К сожалению, как видно по результатам экзаменов Эйнштейна в Цюрихском политехникуме, в неевклидовой геометрии он был не слишком силен. К счастью, в Цюрихе у него нашелся старый друг и одноклассник, который как раз хорошо ее знал.