Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

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.)

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.