Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас

22 июня 1916 года Эйнштейн закончил статью под названием «Приближенное интегрирование уравнений гравитационного поля».

Он исследовал «гравитационные волны и способ их возникновения» с помощью нового приближенного расчета и теперь утверждал, что ускоренные массы излучают гравитационные волны так же, как ускоренные электрические заряды излучают электромагнитные волны (например, радиоволны). Он пришел к выводу, что «гравитационные поля распространяются со скоростью света». 31 января 1918 года Эйнштейн представил еще одну статью под простым названием «О гравитационных волнах» в сборник трудов Академии. Поскольку его предыдущее изложение было «недостаточно ясным и, кроме того, омрачено досадной ошибкой в расчетах», он считал, что должен «вернуться к этому вопросу еще раз». В новой статье он также вывел формулу для энергии гравитационных волн, которая используется до сих пор.

Но в 1936 году, когда Эйнштейн переехал в Соединенные Штаты и продолжал работу в Институте перспективных исследований в Принстоне, он снова изменил свое мнение о гравитационных волнах. Вместе с помощником Натаном Розеном[93] он полагал, что сможет доказать, что гравитационных волн не существует, что они – всего лишь артефакты неправильного выбора координат. Но в конце 1936 года он заметил, что допустил ошибку в рассуждениях, и снова подарил гравитационным волнам «право на жизнь». Уже после смерти Эйнштейна, в долгих спорах, физикам удалось доказать, что гравитационные волны передают энергию – и, следовательно, настолько реальны, что в принципе с их помощью можно было бы нагревать воду.

Две нейтронные звезды, которые кружатся друг с другом, – это идеальная лаборатория, как будто созданная природой именно для проверки общей теории относительности, так как сверхплотное вещество выгоревших звезд излучает радиоволны по оси своего электромагнитного поля и при этом вращается очень быстро и стабильно.

Часы Эйнштейна: вращающиеся руины

Вселенная Эйнштейна – это волшебное место. Почти идеальные сферы вращаются там друг вокруг друга, как мячи жонглера. Однако их диаметры превышают дюжину километров, а чайная ложка их сверхплотного вещества весила бы более десяти миллиардов тонн – больше, чем гора Эверест.

Эти сферы – нейтронные звезды. Впервые их обнаружили в 1967 году. Это ядра сгоревших гигантских солнц, а их внешние оболочки были выброшены в космос в виде сверхновых.

А поскольку большинство звезд во Вселенной двойные – то эти звездные руины часто тоже кружатся парами. Астрономы уже открыли около двух десятков подобных пар. Эти странные звезды позволяют с высокой точностью проверить общую теорию относительности – для сильных гравитационных полей и такими способами, которые невозможны в Солнечной системе. Данные, полученные от двух таких пар нейтронных звезд, являются лучшим подтверждением теории Эйнштейна. Они также предоставили первое доказательство существования гравитационных волн.

Первая система из двух нейтронных звезд нашлась на расстоянии около 21000 световых лет от нас в созвездии Орла. Ее называют PSR 1913+16 – по ее небесным координатам. Она была обнаружена Расселом Халсом[94] и его научным руководителем Джозефом Тейлором[95]в 1974 году с помощью радиотелескопа «Аресибо» на острове Пуэрто-Рико. В 1993 году они получили Нобелевскую премию по физике. Потому что вскоре после открытия стало ясно, что с помощью PSR 1913+16 можно исследовать новые релятивистские эффекты. Две нейтронные звезды с массой 1,4 от массы Солнца каждая совершают один оборот по сильно вытянутым орбитам каждые 7,75 часа с максимальным расстоянием 1,95 миллиона километров. На протяжении многих десятилетий астрономы делали чрезвычайно точные измерения радиоизлучения, которые позволили определить восемь различных релятивистских параметров в дополнение к классическим, таким как форма и период орбит. Это позволило проверить положения общей теории относительности в случае сильных гравитационных полей.

Кроме того, астрономы обнаружили, что орбитальный период PSR 1913+16 уменьшается примерно на 75 миллионных долей секунды в год. Две звезды кружатся все быстрее и все ближе друг к другу.

Расстояние между ними сокращается примерно на 3,5 метра в земной год, поэтому нейтронные звезды столкнутся друг с другом примерно через 302 миллиона лет. Это происходит потому, что ускоренные массы излучают энергию в виде гравитационных волн. Полученные данные с точностью до 0,2 процента совпадают с прогнозом общей теории относительности. Таким образом, данные PSR 1913+16 впервые доказали, что предсказание Эйнштейна о гравитационных волнах верно.

В 2003 году двойная система PSR J0737-3039 была обнаружена в созвездии Кормы, на расстоянии около 4000 световых лет. Эти нейтронные звезды оборачиваются друг вокруг друга каждые 147 минут со скоростью около миллиона километров в час. Их разделяет 900000 километров. Но так как они испускают гравитационные волны, то сближаются на 2,5 метра в год и сольются через 85 миллионов лет. С их помощью впервые удалось измерить характерное колебание оси вращения (релятивистскую прецессию), а также эффект Шапиро[96]. Все измерения с точностью до 0,02 процента соответствуют предсказаниям общей теории относительности. Более того, они уже поставили под сомнение или даже опровергли некоторые альтернативные теории гравитации.

Колебания пространства-времени

Через сто лет после того, как Эйнштейн написал о гравитационных волнах, их в первый раз удалось измерить с помощью черных дыр, существование которых теория относительности предсказала в 1916 году, и с помощью лазерных лучей, на создание которых ученых также натолкнула работа Эйнштейна 1916 года. Никогда прежде гениальная изобретательность теоретика и кропотливое улучшение научной инженерии многими сотнями экспериментаторов не давали вместе такого впечатляющего результата.

Столкновение черных дыр вызывает рябь в пространстве-времени – и ее можно измерить на расстоянии многих сотен миллионов световых лет.

Измерения гравитационных волн, проведенные обсерваторией LIGO (ЛИГО)[97], прекрасно подтвердили смелые идеи Эйнштейна. Две установки в Хэнфорде, штат Вашингтон, и в Ливингстоне, штат Луизиана, расположенные на расстоянии 3000 километров друг от друга, состоят из двух лазерных линий длиной четыре километра каждая, построенных перпендикулярно друг другу. Они работают по тому же принципу, что и интерферометры Майкельсона и Морли, которые продемонстрировали постоянство скорости света (стр. 19). Однако LIGO на много порядков точнее: суперпозиционная картина лазерных лучей позволяет измерять разницу длин всего в 10-21 метр – это все равно что измерять расстояние между Солнцем и ближайшей к нему звездой с точностью до одной десятой толщины волоса.

Обсерватория смогла зафиксировать гравитационные волны от далеких черных дыр, которые сначала быстро вращались друг вокруг друга, затем резко сталкивались и наконец сливались друг с другом.