Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной - [50]
«Поймав» частицу Хиггса, мы расширили границы своего восприятия. Мы увидели то, что природа делает очень редко, очень ненадолго и только после того, как ее сильно попросить. Для пытливого человеческого ума пустое пространство больше никогда не будет выглядеть пустым. Рыбка Ньютон и Питер Хиггс научили нас этому.
Что мы ищем и почему
Напомним образное описание общей теории относительности, данное Джоном Уиллером: «Пространство-время указывает материи, как двигаться; материя указывает пространству-времени, как изгибаться». Афоризм Уиллера запоминается, но он же и вводит нас в заблуждение, точнее, к нему нужно важное дополнение: пространство-время — это тоже форма материи.
В частности, неправильно думать, что кривизна пространства-времени полностью определяется чем-то инородным, а именно «материей». Искривление пространства-времени требует энергии, а энергия вынуждает пространство-время изгибаться. Таким образом, кривизна сама участвует в создании себя. Пространство-время живет собственной жизнью.
Мы уже слышали об этом раньше. Триумфальная фарадеевская концепция поля, а точнее, уравнений Максвелла, облекшего ее в математическую форму, привела к открытию электромагнитных волн. Электромагнитное поле тоже живет собственной жизнью. Изменяющиеся электрические поля создают изменяющиеся магнитные поля, которые создают изменяющиеся электрические поля и так далее до бесконечности. Самоподдерживающееся возмущение полей движется в пространстве. Если оно повторяется с подходящей частотой (длиной волны), мы увидим его в виде света. Мы научились ловить и другие длины волн с помощью разных детекторов — например, радиоприемников или посуды в микроволновках.
Искривленное поле Эйнштейна, которое отвечает за гравитацию, точно так же рождает самоподдерживающиеся возмущения — гравитационные волны. В них искривление пространства-времени в одних направлениях вызывает искривление в других.
Уравнения для гравитационных волн очень похожи на уравнения для электромагнитных — только смысл символов другой[117]. Типы источников, возбуждающих волны, различны: для электромагнитных волн это движущиеся электрические заряды, а для гравитационных — движущиеся массы. А еще, несмотря на качественное сходство, существует большая количественная разница между этими волнами.
Она возникает из-за того, что, согласно общей теории относительности, пространство-время — чрезвычайно жесткая структура и даже быстрые движения, связанные с большими массами, вызывают в ней лишь крошечные колебания. Это и хорошая и плохая новость.
Хорошая новость: гравитационные волны несут сообщения о некоторых самых бурных и интересных событиях во Вселенной, в которых участвуют крупные объекты. Эти волны дают нам новый способ познания Вселенной, остается лишь учиться фиксировать такие данные. Например, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория — LIGO — разрабатывалась в расчете на сигналы от нескольких необычных источников. Это могли бы быть взрывы в системе двух вращавшихся друг вокруг друга черных дыр или нейтронных звезд или черной дыры и нейтронной звезды в последний момент перед слиянием. Поскольку из-за гравитационного излучения вращающиеся объекты теряют энергию, их орбиты сближаются — медленно и постепенно, вплоть до последних мгновений. На последнем витке они, наоборот, движутся очень быстро. Именно тогда всплеск излучения становится таким сильным, что его можно зарегистрировать.
Плохая новость: гравитационные волны трудно обнаружить.
Как мы ищем
Концепцию, легшую в основу конструкции LIGO, изложил в своей статье Райнер Вайсс в 1967 году. Чтобы «поохотиться» на гравитационные волны, ученые и инженеры придумали и внедрили множество технологических инноваций. Первое успешное наблюдение гравитационных волн произошло почти пятьдесят лет спустя. За свою работу над LIGO Райнер Вайсс[118] вместе с Кипом Торном и Барри Баришем в 2017 году получили Нобелевскую премию.
Чтобы понять, как LIGO обнаруживает гравитационные волны, представьте себе три объекта в вершинах большой (воображаемой) буквы L. Для простоты предположим, что они плавают в космосе. Когда волна проходит, само пространство искажается, так что расстояния между объектами меняются со временем. Найдя способ сравнивать длины плеч L, мы сможем попытаться обнаружить этот эффект и получим способ узнавать о приходе гравитационных волн.
Однако некоторые грубые расчеты дают неутешительные оценки величины эффекта. Относительное изменение длин должно составить 10>–21, или одну миллиардную одной триллионной. Большинству физиков казалось невозможным обнаружить такой мизерный эффект. Но Райнер Вайсс и его друзья предложили новые идеи.
В качестве опорных объектов экспериментаторы выбрали зеркала: поставили их далеко друг от друга[119], а затем заставили световые лучи по многу раз отражаться в каждом, что увеличило длину плеч интерферометра. Стандартный метод интерферометрии позволяет сравнивать длины световых путей с точностью до долей длины волны. В итоге крошечное отношение длины световой волны к многократно увеличенной длине плеча позволило обнаружить изменение длин величиной 10
