Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Современное состояние науки о гравитации


Ирина Лагунина: На протяжении последних тридцати лет ученые пытаются измерить гравитационные волны. О современном состоянии науки о гравитации и о гравитационных волнах, которые были предсказаны Общей теорией относительности, рассказывает доктор физико-математических наук, профессор Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана Вячеслав Муханов. С ним беседует Александр Костинский.



Александр Костинский: На протяжении многих лет, по-моему, Эйнштейн был первым, физики говорят о том, что так же как существуют электромагнитные волны, в частности, свет, радио, тепловое излучение – это все электромагнитные волны, должны существовать и гравитационные волны. То есть если очень быстро движутся большие массы, то должны возникать волны, которые отрываются и движутся по Вселенной. Как движется волна, допустим, по воде. На протяжении многих лет это явление пытались измерить. И не так давно появились данные, что скорее всего это уже удалось. Давайте расскажем немножко про гравитационные волны.



Вячеслав Муханов: История с гравитационными волнами достаточно сложная. Как известно, это одно из важнейших предсказаний эйнштейновской теории относительности.



Александр Костинский: Это он сам предсказал?



Вячеслав Муханов: Это он сам предсказал и это в принципе, как вы сказали, гравитационные волны подобны электромагнитным волнам. Только когда проходит электромагнитная волна, она обычно начинать двигать или действовать силой на электрон. Потому что у электрона есть электрический заряд. Гравитационная волна точно такая же волна, как электромагнитная, но она действует на все, что имеет гравитационный заряд, а все имеет гравитационный заряд, поэтому она начинает двигать любую массу. Но в принципе амплитуда этих волн ничтожно маленькая и измерить это трудно. Поэтому, несмотря на то, что эйнштейновская теория предсказала существование гравитационных волн, с самого начала после ее создания надежды измерить эти гравитационные волны были очень небольшие. И в принципе экспериментаторы этому не посвящали слишком много времени, никакого не посвящали. Началом гравитационной астрономии стало то, что Вебер в 70 годах сказал, что он увидел эти гравитационные волны. Потом выяснилось, что измерения, которые он сделал, были неправильны в принципе. Но главная вещь то, что это стимулировало по всему миру попытки найти и обнаружить эти гравитационные волны. В частности, в Советском Союзе этим занимался Брагинский в университете. Потом этим начали заниматься американцы. Было несколько проектов, как это лучше сделать - с помощью кристалла или с помощью лазерного интерферометра. И насколько я помню, на протяжении последних 25 лет или даже больше, 30 лет шли все время непрерывные попытки построить приборы, с помощью которых можно увидеть эти волны.



Александр Костинский: То есть идея была, что если на этой волне нечто качнется, то расстояние между объектами изменится.



Вячеслав Муханов: Берется обычно два зеркала на очень большом расстоянии. Если проходит гравитационная волна, она начинает двигать эти зеркала, расстояние между ними изменяется. Ничтожно мало, но ничтожно малое измерение расстояний мы можем измерить с помощью лазеров, порядка размера атомов расстояние измеряется. И вот это называется лазерным интерферометром, и эти лазерные интерферометры в принципе победили в смысле технологии. Это стало основным прибором для измерения гравитационных волн, которые еще не найдены с помощью лазерных интерферометров. Но все эти лазерные интерферометры теперь находятся в процессе завершения их строительства.



Александр Костинский: Я просто немножко скажу идею интерферометра. Испущенные из одного места две электромагнитных волны, которые тоже колебания, они встречаются и получается какая-то устойчивая картинка. Если что-то поменяется, картинка поменяется. То есть кажется, что такие вещи измерить нельзя, но это еще с того интерферометра Майкельсона-Морли, которые пытались увидеть движение Земли относительно эфира.



Вячеслав Муханов: И чем больше размер или расстояние между зеркалами, тем легче измерить это изменение расстояний. Но свет в принципе между двумя зеркалами должен распространяться в вакууме. Поэтому чем больше интерферометр, тем больше он стоит. В настоящий момент одни из самых больших интерферометров, которые были построены и которые сейчас начинают работать, это «Лиго», интерферометр в Соединенных Штатах Америки, он пять километров. Пять километров вакуумной трубы, два зеркала. Еще три километра «Вирго» в Италии. Шестьсот метров, но очень чувствительный интерферометр, который в принципе достигнет практически той же чувствительности, что и «Лиго», в Германии рядом с Ганновером, который называется «Гео-600». В Японии интерферометр.



Александр Костинский: Скажите, зачем столько интерферометров, тем более все они приблизительно одинаковой точности?



Вячеслав Муханов: Вы понимаете, что если есть два зеркала, то расстояние между ними изменяется в результате всего, чего угодно. Я стукнул кулаком по столу и такое маленькое колебание, как один атом водорода, скажем, размер атома нетрудно достигнуть. Грузовик проехал, поезд прошел. Если бы был только один интерферометр, вы бы никогда не смогли быть уверены, грузовик у вас изменил расстояние между зеркалами или гравитационная волна. А если есть два интерферометра, один в Америке, другой в Японии, то ясно, что грузовик в Америке не может повлиять на интерферометр в Японии.



Александр Костинский: Во всяком случае меньше повлияет.



Вячеслав Муханов: И если есть корреляция или та часть, которая кореллирует между изменениями расстояния, если изменение расстояния, которое измеряется в Америке, каким-то образом связано с измерениями расстояния в Японии, то ясно из этого, что грузовик не может быть ответственен за это. Поэтому когда все грузовики отсортировываются, то то, что остается – это гравитационная волна. И кучу, много детекторов нужно для того, чтобы быть уверенным, что мы действительно увидели гравитационную волну. То, что мы гравитационную волну увидим, в этом, я думаю, ни у кого никаких сомнений нет.



Александр Костинский: Почему нет ни у кого?



Вячеслав Муханов: Потому что гравитационные волны уже практически были найдены, но не так непосредственности. В частности, были открыты так называемые двойные пульсары. Изменение периода для двойного пульсара, которое было найдено Тейлором, который получил за это Нобелевскую премию, у него изменялся период на ничтожную величину – это десять микросекунд за год. Можете представить, какие маленькие изменения. Тем не менее, астрономы в этом смысле делают фантастические измерения, экспериментаторы. Так вот, эти изменения можно было объяснить только, если эта система излучает гравитационные волны и теряет энергию за счет этого. Так вот, когда были сделаны расчеты, было найдено, что предсказания эйнштейновской теории находятся в точном соответствии с тем, что мы видим, с колоссальной степенью точности. После этого были еще найдены двойные системы с таким же точно эффектом и эйнштейновская теория, предсказывающая гравитационные волны именно в этой части, подтвердилась фантастическим образом. Поэтому сомнений в том, что существуют гравитационные волны, никаких нет. Дело в том, что роль гравитационно-волновых детекторов не только найти гравитационные волны, я бы считал, что они уже найдены, зачем я бы стал на это деньги тратить, кстати, не такие большие. Потому что можно сделать шаг вперед и можно сделать гравитационно-волновую астрономию. С помощью гравитационных волн можно изучать процессы во Вселенной, космологические, астрофизические, столкновения. Потому что в результате этих процессов вспышкой Сверхновой излучаются достаточно много гравитационных волн. И в принципе можно наблюдать какую-то Сверхновую где-то, измерять космологические параметры и открывает другой диапазон на Вселенную. Мы, например, Вселенную сейчас наблюдаем в разных длинных электромагнитных волнах, но разные диапазоны. А здесь откроется еще одно окно во Вселенную, которое подтвердит или даст другие, более точные данные о Вселенной.



Александр Костинский: То есть вы считаете, что мы стоим на заре гравитационной спектроскопии?



Вячеслав Муханов: Гравитационно-волновой астрономии, я бы сказал, астрофизики, гравитационно-волновой космологии. И более того, будет сделан следующий шаг. То, что строится, вы можете думать об этом как о гравитационно-волновых телескопах, которые аналогичны оптическим телескопам, но только не принимают не свет, а гравитационные волны. Сейчас запланирован самый большой гравитационно-волновой телескоп, который будет выведен на орбиту тоже. Это будет три спутника, расстояние сторон пять миллионов километров. Эти три спутника будут связаны лазером и гравитационная волна, которая к этому приходит, к трем спутникам, она деформирует этот треугольник ничтожно мало, но с помощью лазера можно измерить деформацию и сказать, откуда волна пришла, какая у нее амплитуда.



Александр Костинский: Пять миллионов проходит за вполне определенное время.



Вячеслав Муханов: Правильно, будут задержки естественно. По этой задержке и по деформации мы как раз можем видеть, откуда пришла эта волна, идентифицировать ту галактику, откуда она получилась, посмотреть, есть ли там нейтрино, потому что еще одна часть, которая появится - это нейтринные телескопы. И я думаю, что у астрономии, космологии и астрофизики, когда мы это изучаем, в будущем колоссальные перспективы. Например, хаббловская постоянная, которая говорит, насколько стара наша Вселенная, грубо говоря, она может быть измерена с помощью гравитационно-волновых экспериментов с точностью до 2%, 1-2%. Сейчас она измерена с точностью может быть 5%. Опять же, одна из наилучших точностей приходит из реликтового излучения кривой. Но это, тем не менее, не самый лучший инструмент для измерения хаббловской постоянной. С измерениями, которые были связаны с флуктуациями реликтового излучения гравитационно-волновыми измерениями, космология становится в этом смысле точной наукой. Я думаю, что в течение ближайших 10-15 лет будут сделаны дальнейшие эксперименты. Я думаю, что-то о ранней Вселенной и о настоящей Вселенной, настоящее, то, в чем мы можем быть уверены, мы изучим.



Александр Костинский: Можно ли сказать, что будущее астрофизики и астрологии в измерении волн и это та эпоха, которая нас ждет сейчас?



Вячеслав Муханов: Которая наступает и которая будет одной из самых живых фундаментальных областей экспериментальной физики на протяжении ближайших 10-15, скорее всего 20 лет. Это все приходит с флуктуациями реликтового излучения, с дальнейшими более точными измерениями и плюс с новым ускорителем. И в 2008 году он начнет работать. Естественно, я ожидаю, что эти области взаимопогут друг другу и помогут нам сделать новый шаг в понимании нашей Вселенной.


XS
SM
MD
LG