«Есть ли гравитационные волны!» - недавно спорили физики. «Верны ли опыты Вебера!» - продолжают сомневаться некоторые из них. «Что служит источником удивительных по интенсивности гравитационных волн, обнаруженных Вебером (если он прав)!» - недоумевают и физики, и астрономы. Эти вопросы стали сейчас весьма острыми, и их решением занимаются ученые разных стран. Про то, что сейчас известно о гравитационных волнах -, а известно пока еще очень мало, и рассказано в этой статье.
Я. СМОРОДИНСКИЙ.
ПОЧЕМУ ДОЛЖНЫ СУЩЕСТВОВАТЬ ВОЛНЫ ГРАВИТАЦИИ?
Волны от камня, упавшего в воду, - картина, знакомая всем. Волнами представляется нам и звук. Как о чем-то привычном, и понятном, говорим мы об электромагнитных волнах. Между тем физикам - современникам Джемса Клерка Максвелла, предсказавшего электромагнитные волны на основании своих знаменитых уравнении, эти волны казались вовсе не очевидным явлением. Однако впоследствии они нашли прочное обоснование в специальной теории относительности. Электромагнитные волны, утверждала она, должны возникать обязательно, если считать, что любой сигнал, несущий энергию и информацию об изменениях электрического или магнитного поля, не может рас-прост раниться с бесконечной скоростью.
Теории, в которых нет места бесконечно быстрым сигналам, принято называть релятивистскими. И когда Эйнштейн построил релятивистскую теорию гравитации, по историческим причинам получившую название общей теории относительности, он предсказал существование гравитационных волн, которые распространяются в пространстве со скоростью света (как, и электромагнитные).
Понять в общих чертах, что собою представляют гравитационные волны и, как они возникают, несложно. В очень серьезной книге по общей теории относительности известный ученый Дж. Синг, чтобы наглядно проиллюстрировать сущность этого явления, приводит такой шутливый пример. Стоит на Земле человек с тяжелой дубинкой в руках. Дубинка создает гравитационное поле; размахивая ею, человек изменяет это поле вокруг себя, и во всей Вселенной. Зададимся вопросом сколь быстро происходят эти изменения? Может ли сила тяготения измениться мгновенно в любой сколь угодно далекой точке необозримого космоса?
Ньютоновский закон всемирного тяготения, казалось бы, этого не запрещает. Действительно, вспомним знакомую со школьной поры формулу, которая выражает силу тяготения через массы тяготеющего и притягиваемого тел, и через расстояние между ними. Если тяготеющая масса быстро переместится в пространстве, то столь же быстро изменится расстояние до притягиваемой массы, а значит, и сила притяжения! Следовательно, как бы далеко ни находилась притягиваемая масса, экспериментатор, наблюдая за нею, сможет мгновенно узнавать о перемещениях тяготеющих масс. Но этот вывод противоречит теории относительности (никакой сигнал не может распространяться со скоростью, превышающей скорость света!) и, значит, должен быть признан абсурдным.
Изменения гравитационного поля будут наступать не сразу, а с запаздыванием, и притом тем большим, чем дальше удалена точка наблюдения. В пространстве с определенной конечной скоростью (скоростью света) будет распространяться возмущение гравитационного поля. Вместе с ним, как показывают расчеты, будет уноситься на бесконечность некоторая энергия. Грубо говоря, это и есть то, что называют гравитационной волной. Теоретические исследования гравитационных волн начались, как мы видим, давно - еще в начале века. Так почему же именно в последнее время к ним приковано столь пристальное внимание ученых?
Возросший интерес к волнам гравитации обусловлен, пожалуй, не столько развитием современной теории, сколько совершенством современных экспериментальных средств. Оказывается, сегодня с их помощью можно обнаружить гравитационные волны, зарегистрировать слабые возмущения гравитационных полей во Вселенной.
КАКОВА СТРУКТУРА ГРАВИТАЦИОННОЙ ВОЛНЫ?
Для приема волн гравитации, казалось бы, можно приспособить обыкновенный математический маятник - массивный грузик на тонкой нити. Боковые возмущения силы тяжести будут раскачивать маятник, и наблюдателю остается лишь зарегистрировать его смещения. Однако эта «идея» принципиально неприменима вместе с грузиком, предназначенным для обнаружения гравитационных волн, точно такие же ускорения будут испытывать и штатив, и сам наблюдатель. Это получается из-за того, что ускорение, приданное телу силами гравитации, не зависит от его массы.
Поэтому при желании принимать, или, как иначе говорят, детектировать, волны гравитации мы не можем ограничиться лишь одной точечной массой. Простейшая схема детектора гравитационных волн нуждается в усовершенствовании. Вспомним у гравитационной волны есть скорость, - в одной точке пространства воздействие волны скажется раньше, в другой - позже. И если массивный грузик на тонкой нити заменить несколькими массами или протяженным телом, то детектирование, по существу, сведется к измерениям относительных ускорений различных масс или же напряжений, которые возникнут в протяженном теле из-за деформаций, вызванных относительными ускорениями различных участков тела - детектора.
Характер таких деформаций, и структуру гравитационной волны мы наглядно представим на простом примере, где детектору гравитационных волн придана форма обруча. Но прежде бегло сравним между собой волны, перечисленные в начале статьи, и изучаемые в различных областях физики. И попутно предостережем читателя от возможной путаницы.
Дело в том, что термин «гравитационные волны», недавно появившийся в космологии, издавна применяется совсем в другом разделе естествознания - в гидродинамике. Так называются там волны, возникающие на поверхности весомой жидкости под действием сил тяготения. Наглядным примером их могут служить волны от камня, упавшего в воду, с которых начинался наш рассказ.
Мгновенный схематический портрет такой волны дает привычная синусоида. Этот первичный физический образ сложен из немногих деталей - гребней да впадин, разделенных узлами-точками на уровне невозмущенной поверхности жидкости. С течением времени график смещается - волна распространяется вдоль горизонтальной оси. Там, где был гребень, по миновании узла образуется впадина, а затем по прохождении нового узла - новый гребень.
Такой же синусоидой можно обрисовать, и звуковую волну. Подъемы, и спады кривой здесь будут соответствовать сжатиям, и разрежениям. И в первом, и во втором случае достаточно лишь одного числа, чтобы описать состояние среды в каждой определенной точке - на, какую высоту приподнята или опущена поверхность воды, до, какого давления сжат или разрежен воздух.
Для описания электромагнитной волны уже требуются векторы. Недостаточно знать, какова напряженность электрического, и магнитного поля в данный момент в данной точке, - надо указать направление вектора той, и другой напряженности, их ориентацию в пространстве пли, как принято говорить, поляризацию волны.
Изменение во времени абсолютной величины, и того, и другого вектора описывает все та же синусоида. Их пространственное представление облегчается характерным свойством они перпендикулярны друг другу, и вместе перпендикулярны направлению, в котором распространяется волна. Они, говоря образно, всегда располагаются поперек ее пути. В тех же поперечных направлениях волна воздействует на среду, сквозь которую она проходит. Оттого-то -электромагнитные волны, и называются поперечными. (Рассмотренные перед ними звуковые волны, напротив, относятся к продольным, поскольку они вызывают смещения частиц вещества вдоль направления, в котором распространяется волна.)
Волны гравитации в этом отношении родственны электромагнитным - они тоже относятся к числу поперечных. Правда, для их описания требуется более сложный математический аппарат - уже не векторный, а тензорный; структура гравитационной волны, и характер ее воздействия на вещество значительно сложнее по сравнению с электромагнитной волной. Впрочем, некоторое формальное сходство между ними установить можно. В волне гравитации можно выделить узлы - равноотстоящие точки, в которых силы воздействия волны на вещество на мгновение обращаются в нуль, - и' чередующиеся участки «максимумов», разделенные узлами, и различающиеся конфигурацией гравитационного поля, созданного волной. После такого вступления мы уже можем с достаточным знанием дела разобрать пример с обручем, обещанный в начале главы.
Предположим, что волна, которую должен задетектировать обруч, отличается строго определенной конфигурацией создаваемых ею сил, или, используя введенный ранее термин, определенной поляризацией. Как, и во всех предыдущих примерах, эти силы изменяются во времени по закону синуса. Волна распространяется в направлении, перпендикулярном плоскости обруча.
Проследим за его формой по мере движения волны. При прохождении очередного максимума обруч сплющивается в эллипс. При прохождении узла обруч принимает первоначальную круговую форму. Когда проходит следующий максимум, обруч снова сплющивается в эллипс, иначе ориентированный по отношению к раннему. Далее все повторяется, поскольку волна периодическая.
Мы видим, что воздействие гравитационной волны отличается от воздействия электромагнитной. Будь обруч заряженным, электромагнитная волна действовала бы одинаково на все его точки, и вызывала бы лишь поперечные смещения обруча в целом. Гравитационная волна не смещает, а деформирует обруч. Горизонтальный максимум одинаково на все его точки и вызывала бы лишь поперечные смещения обруча в целом. Гравитационная волна не смещает, а деформирует обруч.
Гравитационные волны называют тензорными. Используя этот термин, мы, в частности, имеем в виду, что воздействие волны на два пробных тела зависит от того, как эти тела ориентированы относительно гравитационной волны. Так, в разобранном примере точки обруча, лежащие в концах различных диаметров, в один, и тот же момент либо устремлялись друг к другу, либо расходились, либо оставались в покое.
КАК МОЖНО ОБНАРУЖИТЬ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОАНЫ?
На простейшем примере с обручем мы показали, как волны гравитации деформируют протяженные тела. Именно эта их способность и легла в основу детектирования гравитационного излучения. Подобные эксперименты проводятся, как в нашей стране, так, и за рубежом. Первым, кто всерьез занялся проблемой обнаружения таинственного излучения, был профессор Мерилендского университета Джозеф Вебер.
Незатейливый пример с дубинкой, приведенный в первой главе, наводит на мысль, что гравитационные волны должны испускаться телами, которые определенным образом меняют свое взаимное расположение в пространстве. В свете этого наглядного примера задача детектирования гравитационных волн кажется весьма простой. Пойдите, например, на стадион, где проходят соревнования по метанию молота, и спокойненько ловите гравитационные волны от спортсмена, который с «огромной» скоростью крутит свой молот. К сожалению, для проведения подобного эксперимента, как показали предварительные теоретические оценки, нужны чрезвычайно большие массы, и огромнейшие мощности для того, чтобы привести их в движение.
Вот убедительное сравнение обыкновенный радиоприемник получает в виде радиоволн столько же энергии, сколько излучает в гравитационных волнах железный стержень длиной в один километр, диаметром в десять метров и весом около миллиона тонн, вращающийся со скоростью несколько оборотов в секунду (предполагается, что стержень достаточно прочен, и не разлетается под действием центробежных сил).
Целесообразнее использовать в качестве источника гравитационного излучения космические объекты, в которых огромные массы, часто превышающие массу Солнца, движутся под действием сил взаимного притяжения. Наиболее яркие примеры таких масс дают двойные звезды - пары звезд, вращающихся относительно общего центра масс, подобно тому, как Луна вращается вокруг Земли. Двойные звезды могут излучать в виде гравитационных волн несколько процентов от своей полной энергии, определяемой по известному соотношению Эйнштейна Е-me2. Если учесть, сколь велика постоянная с, которая в этой формуле служит коэффициентом пропорциональности между массой и энергией (триста тысяч километров в секунду!), то энергия гравитационного излучения двойных звезд представится поистине колоссальной величиной. А в недавно открытых пульсарах - звездах, состоящих из одних нейтронов, и ядер, - расход энергии на гравитационное излучение столь велик, что заметно сказывается на затухании собственных колебаний пульсаров'.
Но вся беда в том, что двойные звезды и пульсары - эти щедрые поставщики гравитационных волн - находятся слишком далеко от Земли. Свет идет от них до нас многие десятилетия. Если бы даже все такие источники разом испустили в виде гравитационного излучения абсолютно всю свою полную энергию, то на Земле поток гравитационных волн не превысил бы нескольких десятимиллионных эрга на квадратный сантиметр за секунду. (Примерно такой же поток тепловой энергии наблюдался бы в Москве от лучинки, зажженной в Баку.)
Самый близкий источник гравитационных волн, каким является наша родная Солнечная система, излучает в гравитационных волнах столько энергии, сколько в электромагнитных волнах испускает обыкновенная стосвечовая электролампа. Рассеянная в просторах межпланетных масштабов, эта энергия превращается в поток гравитационного излучения, еще более слабый, чем от двойных звезд, и пульсаров.
Из всего сказанного становится ясно, насколько сложна задача приема гравитационных волн, насколько высокие требования предъявляются к чувствительности детекторов.
КАК УСТРОЕН ДЕТЕКТОР ВЕБЕРА?
В самых общих чертах детектор Вебера представляет собой цилиндрическую алюминиевую болванку весом полторы тонны, длиною полтора метра и диаметром шестьдесят сантиметров. Цилиндр подвешен на тонких, и прочных нитях, а к его поверхности приклеены пьезодатчики - кристаллики, в которых сразу, как только их сжимают или растягивают, возникает электродвижущая сила. Гравитационная волна, как раз и является причиной деформации пьезокристаллов она сжимает, и растягивает массивный цилиндр, а наклеенные пьезодатчики весьма чутко на это реагируют. Вот так и ловится таинственное гравитационное излучение. Вы, быть может, разочарованы «До чего же все просто!»
Но не спешите с выводами. Тот, кто склонен считать описанный эксперимент простым, забывает о шуме - всяческих посторонних причинах, которые к волнам гравитации не имеют никакого отношения, но которые тоже могут вызвать электрические токи в пьезодатчиках. В хаосе шумов могут легко затеряться слабые гравитационные волны.
Чтобы не спутать их с посторонними сигналами, надо поставить рядом с детектором множество приборов, реагирующих на малейшие землетрясения, на всяческие атмосферные явления, и т. п. Детектор обязательно нужно поместить в вакуум, иначе, ненароком чихнув, экспериментатор вызовет в пьезодатчиках деформации, намного более мощные, чем волна гравитации. Кроме того, детектор необходимо установить на массивную антисейсмическую платформу. Необходим также мощный усилитель, так, как электросигналы от пьезодатчиков могут оказаться очень слабыми. Но нужно так исхитриться, чтобы, усиливая сигнал, усилитель не добавлял к нему собственный тепловой шум. Для этого используются сверхпроводящие катушки, охлаждаемые до сверхнизких температур (недостаток средств до последнего времени не позволял Веберу охлаждать детектор целиком).
Экспериментатор должен так же надежно отличать деформации, вызванные гравитационным излучением, от тепловых колебаний молекул вещества, из которого изготовлен детектор (гауссова шума). Для всего этого используются так называемые схемы совпадений. Смысл этого устройства заключается в том, что берутся два одинаковых детектора и помещаются друг от друга на небольшом расстоянии, заведомо меньшем, чем длина ожидаемой гравитационной волны. Тогда волна будет вызывать в обоих детекторах коррелированные, то есть зависимые друг от друга, возмущения. Что же касается тепловых возмущений, обусловленных совершенно случайными движениями частиц вещества, то они коррелировать не могут они никак не связаны между собой.
В результате подобных, и многих других ухищрений удается замерить напряжения, соответствующие относительным изменениям длины порядка 10^-18. Если учесть, что длина алюминиевого цилиндра, с которым проводит свои опыты Вебер, составляет полтора метра, то легко оцепить, какой невероятной разрешающей способностью должен был бы обладать измерительный прибор, способный отмечать соответствующие абсолютные деформации, - ведь они не превышают размеров атомного ядра. (Современные автоионные микроскопы дают возможность разглядеть атомарную структуру металлов до деталей порядка ангстрема, 10^-10 метра. Но это в миллион раз больше указанной цифры.) Пока, что пет даже надежды измерить непосредственно такие отрезки длины, а вот напряжения, вызванные такими смещениями, фиксируют пьезодатчики, которые теперь можно по праву назвать «сверхчувствительными»
В своих опытах Вебер использует два детектора, расстояние между которыми составляет тысячу километров (Чикаго - Мериленд). Подобное рассредоточение предпринимается опять же для того, чтобы отличить истинный сигнал от помех - атмосферных или сейсмических. Тысячекилометровая дистанция надежно исключает их полное совпадение скажем, в Чикаго гремит гром, и сверкает молния, а в Мериленде - ни ветерка. Что же касается гравитационных волн, то они будут вызывать в обоих детекторах согласованные сигналы если волна подействовала на детектор в Чикаго, то в Мериленде то же самое воздействие будет зарегистрировано через трехсотую долю секунды. В этой связи заманчивым представляется предложение поставить один приемник на Луне, а другой - на Земле. Такой эксперимент уже планируется на ближайший запуск космического корабля «Аполлон»
ЧТО ОЗНАЧАЮТ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ВЕБЕРА?
Вернемся к уже проведенным опытам Джозефа Вебера. Признайтесь, читатель, что здесь вы ожидаете прочесть о топком искусстве экспериментатора, которому ценой невероятных усилий удалось выловить из океана помех слабые, почти случайные крохи долгожданных эффектов, если удалось, что-то выловить вообще.
В действительности дело обстояло совсем иначе. Если Веберу удалось принять гравитационное излучение из космоса, то результат надо признать ошеломляющим. Дело в том, что принятый поток (104 эрг/ сек. см2) необыкновенно велик. Если считать, что источник этого излучения находится в центре нашей Галактики, то есть на расстоянии тридцати тысяч световых лет от Земли, то поток, принятый Вебером, говорит, что в этом источнике в результате, каких-то таинственных процессов в энергию гравитационного излучения превращается ни много ни мало сто тысяч солнечных масс в год!
Конечно, поначалу сообщение Вебера вызвало у многих ученых здоровый скепсис-тот самый скепсис, который делает науку наукой. Было много споров. Но все-таки Веберу почти удалось склонить научное общественное мнение на свою сторону. После того, как никто не сумел объяснить его опыты никакими другими причинами, отличными от гравитационных волн, даже самые стойкие скептики признают, что наука столкнулась с, каким-то пусть еще непонятным, но все же новым явлением. Как бы то ни было, теперь не одна научная группа на земном шаре ловит таинственное излучение из космоса. Быть может, пройдет несколько месяцев, и опыты последователей Вебера подтвердят его открытие, которое тогда можно будет назвать «открытием века»
Дискуссия продолжается. Но несомненно уже то, что перед наукой поставлена проблема большой важности. И этим мы обязаны труду, остроумию, и прежде всего незаурядной целеустремленности автора замечательных опытов. Когда он начинал работу, не многие верили в его удачу. Даже посвященным казалось, что будут обнаружены несущественные, случайные эффекты, если вообще, что-то удастся обнаружить. Но «случайные» эффекты оказались из разряда тех, которые могут показаться «несущественными» лишь плохому экспериментатору. Яблоки падают ведь не только на Ньютонов! Кто знает, быть может, волны гравитации принесут еще не одну загадку из безбрежных просторов Вселенной? Быть может, в будущем они станут такими же интересными рассказчиками, как, и электромагнитные волны, диапазон которых в наши дни расширился далеко за пределы видимого спектра?
Давайте немного помечтаем. Быть может, когда-нибудь такая область науки, как «гравитационная астрономия», завоюет права гражданства наравне с оптической, радио, гамма, рентгеновской, инфракрасной, и только-только нарождающейся нейтринной астрономией. Ведь, и самая древняя из них - оптическая астрономия - прошла путь от нехитрой трубки Галилея к огромнейшим, и совершеннейшим телескопам двадцатого века. И незамысловатая антенна Янского, пионера радиоастрономии, послужила первым шагом на пути к современным радио рефлекторам, имеющим сотни метров в диаметре, к системам радио интерферометров, разнесенных по всему лику Земли.
Однако, завоевав признание наравне с традиционными отраслями астрономии, гравитационная астрономия станет не просто их помощницей. Найдутся, и для нее свои специфические области применения. Ими, по-видимому, станут те новые явления, с которыми недавно столкнулась астрофизика, - гравитационный коллапс, малоизученные процессы в ядрах Галактик. Возможно, гравитационные волны являются наиболее осведомленными, а может статься, и единственными свидетелями таких процессов. Быть может, будущие «гравителескопы» помогут разгадать новые тайны Вселенной?
