1. Inhalt
  2. Navigation
  3. Weitere Inhalte
  4. Metanavigation
  5. Suche
  6. Choose from 30 Languages

Наука и техника

Верны ли теории Эйнштейна?

14.03.2005

17-го марта исполняется сто лет с того дня, как молодой клерк Швейцарского патентного бюро в Берне по имени Альберт Эйнштейн сдал в редакцию журнала «Анналы физики» первую из 4-х небольших статей, которым было суждено совершить подлинный переворот в науке и радикально изменить наши представления о Вселенной. Все 4 статьи были напечатаны в 1905-м году, что и побудило многие страны мира, включая Германию, объявить нынешний год годом Эйнштейна – в честь столетнего юбилея этих эпохальных публикаций. Кроме того, в текущем году будет отмечаться и пятидесятилетие со дня смерти великого физика. В ознаменование этих дат по всему свету пройдут – и уже проходят – конференции и симпозиумы, семинары и выставки. Так, несколько дней назад в Берлине завершился крупнейший международный конгресс, на котором были подведены итоги развития физики после Эйнштейна. Ставятся спектакли и балеты, снимаются кинофильмы, выпускаются книги и альбомы. Устроители юбилейных мероприятий надеются таким образом повысить почти угасший в последнее время интерес молодёжи к физике. Вполне возможно, что их усилия увенчаются успехом, поскольку научное наследие Эйнштейна ещё и сегодня продолжает активно обсуждаться и вызывать жаркие дискуссии среди учёных. Многие из них, воспользовавшись нынешним юбилеем как удобным поводом, осуществляют проекты, цель которых – произвести с максимально возможной на сегодняшний день точностью целый ряд измерений с тем, чтобы экспериментально подтвердить – или же опровергнуть – теоретические расчёты гениального физика. Сегодня речь пойдёт о проектах, связанных с попыткой обнаружить гравитационные волны. В дальнейшем мы планируем представить вам ещё несколько проектов такого рода, но посвящённых иным аспектам и положениям эйнштейновских теорий.

Итак, гравитационные волны. Охоту за ними физики разных стран, в том числе и Германии, ведут уже давно – с 1975-го года. Активно участвуют в этой работе, в частности, учёные из Ганновера: они уже проводят – совместно с британскими коллегами – измерения в рамках проекта «GEO-600» и ведут подготовку гораздо более крупномасштабного проекта «LISA». Крупномасштабного настолько, что разместиться он сможет только в космосе. Однако что это вообще такое – гравитационные волны? Если пользоваться строго научной терминологией, это переменное гравитационное поле, которое излучается ускоренно движущимися массами и, подобно электромагнитному излучению, распространяется в пространстве со скоростью света. Природу этого явления трактует созданная Эйнштейном Общая теория относительности, которая описывает тяготение как результат воздействия материи на свойства пространства и времени. Согласно этой теории, тяготение есть не что иное как изменение геометрии, искривление пространственно-временного континуума. В отличие от Ньютоновской физики, в которой пространство рассматривается как неизменная внешняя данность, в физике Эйнштейна пространство активно участвует в процессах взаимодействия материи и энергии. Главный постулат Общей теории относительности сводится к тому, что материя определяет кривизну пространства, а пространство, в свою очередь, определяет движение материи. Руководитель проектов «GEO-600» и «LISA» профессор Карстен Данцман (Karsten Danzmann), директор Института физических проблем гравитации имени Макса Планка в Ганновере и ведущий научный сотрудник Института атомной и молекулярной физики Ганноверского университета, хоть и пользуется понятием «искривлённое пространство» весьма часто, признаёт:

Большинство, услышав об этом впервые, некоторое время смотрят, широко раскрыв глаза и разинув рот, не понимая ни слова, но потом начинают с умным видом кивать головой, приговаривая: «Ах, да, ну конечно!..» А всё дело в том, что представить себе искривлённое пространство действительно невозможно.

Зато более или менее легко можно представить себе искривлённую поверхность. Если, скажем, на растянутое полотнище из резины опустить груз, оно прогнётся, образовав углубление. Если же этот груз ещё и движется, возникают колебания. При этом по полотнищу распространяются волны – подобно тому, как по воде разбегаются круги, если бросить в неё камень. Эта аналогия даёт, пусть и крайне приблизительное, представление о предмете сегодняшнего разговора. Поскольку пространство, в отличие от резинового полотнища, обладает очень высокой жёсткостью, то, чтобы его искривить, требуются поистине гигантские массы. Соответственно, в земных лабораторных условиях созданный искусственно эффект излучения гравитационных волн столь слаб, что зарегистрировать его никакими приборами невозможно. Однако при некоторых катастрофических астрофизических явлениях – например, при вспышке сверхновой или при слиянии двух массивных чёрных дыр, – энергия, уносимая гравитационным излучением, может достигать нескольких процентов от полной энергии процесса. Специалисты полагают, что энергетические всплески, вызванные космическими катастрофами в соседних с нашей галактиках, можно ожидать с частотой около одного раза в месяц. Это для физиков-экспериментаторов вполне приемлемо. Гораздо хуже то, что длительность таких всплесков составляет всего лишь от одной тысячной до одной десятитысячной доли секунды. Однако и это ещё не всё. Наибольшая сложность связана с тем, что максимальная амплитуда относительного смещения, вызываемого гравитационной волной, лежит в пределах от десяти в минус девятнадцатой до десяти в минус двадцать первой степени метра. Иными словами, такое смещение ничтожно мало: если сверхновая вспыхнет в нашей собственной галактике – Млечном пути, – то расстояние между Солнцем и Землёй изменится лишь на величину, равную диаметру одного атома водорода. И, как уже было сказано, продлится этот эффект всего несколько десятитысячных долей секунды. Зато гравитационные волны очень долговечны и стабильны. Вследствие исключительной слабости взаимодействия гравитационного излучения с веществом такие волны проходят сквозь материю, практически не теряя энергии.

Детектор, призванный обнаружить эти самые трудноуловимые в мире волны, смонтирован недавно в окрестностях Ганновера в рамках проекта «GEO-600». Он представляет собой странное и весьма непривычное для сельской местности сооружение: небольшое здание из сборных конструкций с отходящими от него двумя длинными туннелями из гофрированной жести. Эксперимент базируется на использовании лазерных интерферометров. В самом общем виде эта схема выглядит так: испускаемый лазером луч с помощью специального устройства разделяется на два луча, расходящихся под прямым углом друг к другу. Каждый из лучей направляется внутрь вакуумной трубы длиной 600 метров, в конце которой он отражается зеркалом и возвращается в исходную точку. Накладываясь здесь друг на друга, лучи создают устойчивый специфический узор – интерференционную картину, которая сохраняется неизменной до тех пор, пока не меняются расстояния, преодолеваемые лучами. Если же Земля окажется на пути гравитационной волны, длины вакуумных труб на мгновение чуть-чуть изменятся, причём неодинаково, поскольку вектор распространения волны образует разные углы с осями труб. И это изменение сразу же отразится на интерференционной картине.

Детектор «GEO-600» недавно принят в эксплуатацию. На нём уже ведутся регулярные измерения, но ожидаемых с таким нетерпением результатов пока не получено. В какой-то мере это и понятно: такой детектор – в силу ряда причин – далёк от совершенства. Так, согласно современным представлениям о природе гравитационных волн, их частотный диапазон должен охватывать 8 порядков – от одной десятитысячной герца до десяти тысяч герц. Наземные детекторы вроде того, что построен в окрестностях Ганновера, из-за сейсмических помех в принципе способны регистрировать лишь колебания частотой выше одного герца – таким образом, половина интересующего учёных спектра остаётся за пределами диапазона измерений такого прибора. Это и побудило физиков приступить к разработке проекта «LISA», предусматривающего создание детектора космического базирования. Коллега профессора Данцмана – доктор Герхард Хайнцель (Gerhard Heinzel), научный сотрудник Института физических проблем гравитации имени Макса Планка в Ганновере, – поясняет:

« LISA » – это аббревиатура, означающая « Laser Interferometric Space Antenna ». Речь идёт о размещении в космосе детектора гравитационных волн. Он будет состоять из трёх совершенно одинаковых спутников, расположенных на расстоянии в 5 миллионов километров друг от друга и образующих равносторонний треугольник. Между спутниками будут сновать туда-сюда лазерные лучи. Наложение и интерференция этих лучей дадут нам, как мы надеемся, возможность зарегистрировать малейшие изменения расстояния между спутниками – а это изменения, измеряемые пикометрами, то есть миллиардными долями миллиметра. Именно так должны проявлять себя гравитационные волны.

Итак, в основу космического детектора положен тот же принцип высокоточного измерения расстояний с помощью лазерного интерферометра, что и в основу его наземного предшественника. С той, однако, разницей, что в космосе лучу лазера предстоит преодолевать не 600 метров, как на земле, а 5 миллионов километров. Понятно, что это означает многократное повышение точности измерений, то есть увеличение чувствительности детектора при одновременном расширении диапазона измерений благодаря отсутствию сейсмических помех. Герхард Хайнцель продолжает:

Каждый спутник представляет собой плоский диск диаметром около 2-х метров и толщиной около 40-ка сантиметров. Плоские поверхности диска, напоминающего огромную хоккейную шайбу, полностью покрыты солнечными батареями, а сбоку, в торце, расположены два 40-сантиметровых телескопа. Они находятся на расстоянии в 60 дуговых градусов друг от друга, то есть посылают и принимают лазерные лучи, осуществляя коммуникацию с двумя другими спутниками, входящими в систему и образующими, как уже было сказано, замкнутый треугольник.

Первые эксперименты, призванные на практике проверить, способна ли вообще надёжно функционировать система на основе столь сложной технологической концепции, Европейское космическое агентство планирует провести совместно с NASA в 2008-м году. Для этого в космос будет запущен испытательный аппарат «LISA Pathfinder» с двумя альтернативными комплектами высокоточного измерительного оборудования на борту – европейским и американским. Но миссия включает испытания и ещё одного компонента – микродвигателей коррекции. Ведь для того, чтобы лазерный интерферометр действительно мог уловить возмущения, вызванные гравитационными волнами, нужно исключить влияние таких помех как солнечный ветер или внешние магнитные поля. Герхард Хайнцель говорит:

Эти помехи значительно превзошли бы по величине те крайне малые смещения, которые мы как раз и хотим измерить. Поэтому мы собираемся поместить внутри корпуса спутника особую эталонную массу – это небольшой кубик, изготовленный из специального металлического сплава, – и окружить её высокочувствительными сверхточными сенсорами, регистрирующими положение массы внутри спутника. Воздействие, скажем, солнечного ветра на спутник слегка сместит его относительно эталонной массы, сенсоры это смещение зафиксируют и включат микродвигатели коррекции. Таким образом, мы добьёмся того, чтобы эталонная масса, а с ней и весь спутник, двигались, подчиняясь исключительно гравитации. Только так мы сможем обнаружить гравитационные волны.

Если миссия «LISA Pathfinder» пройдёт успешно, ганноверские учёные приступят к завершающему этапу подготовки основного проекта, реализация которого намечена на 2012-й год. Год спустя после запуска трём спутникам предстоит пройти первое серьёзное испытание: заняв предназначенные позиции, сориентироваться, найти друг друга и установить между собой лазерную связь. Это очень непростая задача: на расстоянии в 5 миллионов километров спутник представляет собой едва заметную слабо светящуюся точку среди миллиардов других таких же. Но если этот этап пройдёт успешно, у физиков появятся все основания для эйфории. Правда, у стороннего дилетанта может возникнуть

вопрос, стоит ли вся эта погоня за гравитационными волнами тех денег и усилий, которые на неё уже затрачены и продолжают тратиться. Профессор Данцман отвечает:

Просто их обнаружить – это задача, которая находит отклик в сердце каждого подлинного исследователя. Однако на самом деле мы хотим не просто доказать их существование. Мы хотим их использовать, мы намерены с их помощью узнать об окружающем нас мире то, что никаким другим путём узнать невозможно.

Проблема в том, что все методы наблюдения, применяемые в сегодняшней астрономии, базируются на регистрации электромагнитного излучения – будь то рентгеновские, оптические или радиотелескопы. О тех объектах во Вселенной, которые не излучают электромагнитных волн, человечество не знает ровным счётом ничего – кроме самого факта их существования. Для их обозначения учёные пользуются терминами «тёмное вещество», «скрытая масса» Вселенной. Ведь массу любой галактики можно вычислить, измеряя скорость обращения звёзд вокруг центра такой галактики. Точно так же можно определить массу скопления галактик, измеряя скорость обращения каждой галактики вокруг центра скопления. Полученная в результате этих расчётов масса оказывается в 5-10 раз больше, чем суммарная масса всех видимых звёзд Вселенной. Таким образом, всё, что астрофизики видят и фотографируют на небе, составляет лишь очень незначительную часть создающего гравитацию вещества. Сегодня многие учёные и вовсе склонны полагать, что на долю хорошо нам знакомой материи приходится не более 5-ти процентов всей материи, имеющейся во Вселенной. Ещё 25 процентов приходится на долю тёмной материи, о которой неизвестно ничего кроме того, что она обладает гравитацией. А остальные 70 процентов Вселенной – это тёмная энергия, космологическая константа, природа которой и вовсе не имеет никакого физического объяснения. Ясно, что экспериментальное обнаружение гравитационных волн произведёт подлинную революцию в астрономии, – говорит Карстен Данцман:

Наблюдая гравитационные волны, мы обретём совершенно новое представление о нашей Вселенной. Мы получим возможность изучить «тёмное вещество», выяснить, идёт ли речь о чёрных дырах, или о малых звёздах – так называемых чёрных карликах, или о гигантских облаках субатомных частиц. Собственно, одной из главных задач науки в 21-м веке как раз и является создание и развитие гравитационной астрономии.