Гравитационные волны и другие чудеса современной физики

  • 12 февраля 2016
Схематичное изображение гравитационных волн
Image caption Схематичное изображение гравитационных волн

Группа ученых из нескольких стран сообщила, что при помощи нескольких не связанных между собой детекторов им удалось зафиксировать в лабораторных условиях гравитационные волны.

Еще одна составляющая теории относительности, похоже, получила экспериментальное подтверждение.

Теперь дело за малым: использовать новое открытие на благо человечества. Например, для путешествий к звездам или во времени.

Или для создания принципиально нового холодильника или микроволновки...

Как далеко сегодня фундаментальная наука стоит от практических нужд человечества?

За ответом на этот и другие вопросы ведущие "Пятого этажа" Михаил Смотряев и Александр Кан обратились к профессору физики Университетского колледжа Лондона Рубену Саакяну.

Загрузить подкаст передачи "Пятый этаж" можно здесь.

Михаил Смотряев: Про то, каким образом были вскрыты гравитационные волны, вчера написано достаточно много, в том числе и с картинками. Любой человек, даже не являясь специалистом, но пройдя курс средней школы по физике, наверное, в состоянии разобраться, как это было зафиксировано. Можно только поражаться точности приборов, поскольку порядки величин, которые измеряются современными интерферометрами, человеческому глазу совершенно невидимы и даже рассудком понимаемы мало. Меня, как когда-то в очень далеком прошлом человека, обучавшегося физике, интересует для начала другое.

Гравитационные волны – сразу на ум приходят гравитоны, существование которых еще не доказано. Возникают мысли о том, что вот еще один шаг на пути к завершению построения грандмоделей, всеобщее объединение всех четырех известных нам фундаментальных взаимодействий, примирение теории относительности с квантовой механикой – короче, "победа разума над сарсапариллой", как говорил О.Генри. Не слишком ли я оптимистичен?

Рубен Саакян: Немножко оптимистичен, но, безусловно, это эпохальное событие. Оно в основном эпохальное для очередного подтверждения общей теории относительности. Мы пока не очень сильно продвинулись в плане объединения теории относительности с квантовой механикой, но вполне возможно, она нам поможет тоже. Важность этого открытия трудно переоценить как с точки зрения науки, так и с философской общечеловеческой точки зрения.

У нас есть два столпа, два краеугольных камня нашего понимания Вселенной. Один из этих камней - общая теория относительности, второй – квантовая теория. Гравитационные волны являлись центральной частью в общей теории относительности. Поэтому, безусловно, это очень важная вещь.

М.С.: Общая теория относительности по количеству тех ее элементов, которые уже проверены экспериментально, может считаться достаточно состоявшейся, не нуждающейся в дополнительных доказательствах в том, что касается ее основополагающих принципов. Хотя, с другой стороны, имеет смысл подчеркнуть, что общая теория относительности в том виде, в котором ее оставил нам Эйнштейн, в котором она была впервые сформулирована, и в том виде, в котором она пребывает сейчас, - это, наверное, не один и тот же зверь, да?

Р.С.: Не один и тот же зверь. Это получило очень большое развитие в связи с современными компьютерами, когда мы научились считать числовыми методами многие уравнения, которые невозможно было решить аналитически. Что еще я хотел сказать по поводу важности этого открытия? Вы правы, были и другие безусловные доказательства справедливости общей теории относительности, тем не менее, гравитационные волны – это был, можно сказать, последний элемент, который был необходим. Но это идет гораздо дальше, с моей точки зрения.

Один из очень принципиальных моментов этого открытия – это то, что мы впервые получили способ изучать, наверное, самые интересные объекты в нашей Вселенной – черные дыры. У нас по большому счету не было серьезного инструментария, чтобы смотреть на эти самые интересные объекты, которые нам могут много чего еще рассказать, в том числе о возможности путешествия во времени, в параллельной Вселенной и прочее. Это совершенно сумасшедшие объекты – черные дыры, но изучать их очень трудно. Гравитационные волны дают нам такую возможность.

М.С.: Гравитационные волны при условии непрерывного роста точности, чувствительности детекторов дают нам возможность просто в силу своей физической природы заглянуть гораздо раньше ближе к истокам, к Большому взрыву, если мы принимаем Большой взрыв как некую данность, чем те методы, которыми мы сейчас пользуемся, - реликтовое излучение, световое излучение, гамма-астрономия. Но мерить все это, исходя из того, какого размера нужны детекторы, приборы, какое между ними должно быть расстояние – задача явно не для одной страны, а, как минимум, для всего человечества.

Р.С.: Безусловно, это задача для всего человечества. Изучение гравитационных волн может нам помочь приблизиться к самой ранней Вселенной, хотя реликтовое излучение – это тоже очень ранняя Вселенная, в том числе самые дальние закоулки Вселенной. Просто это, наверное, самые драматичные события. Данные гравитационные волны были зарегистрированы в результате столкновения двух черных дыр. Они возникают в результате коллапса сверхтяжелых звезд. Там очень интересная физика: останавливается время, пропадает свет, и черт знает, что там еще происходит.

Мы надеемся, что со временем гравитационные волны станут нашим стандартным инструментарием, и мы сумеем заглянуть внутрь этой воронки. Другого способа, скорее всего, нет. То, что мы сейчас сумели зарегистрировать, дает нам надежду, что у нас будет способ заглянуть в эту воронку.

М.С.: А как же знаменитое высказывание о том, что у черных дыр нет волос, и в принципе для описания черной дыры, статической, не вращающейся, достаточно трех параметров – масса, импульс, вращение и еще что-то, и гравитационные волны не имеют к ним никакого отношения. Что касается изучения черных дыр, еще есть излучение Хокинга, - вещь, не знаю, насколько сугубо теоретическая, но точно нынешними средствами не измеряемая.

Р.С.: Всегда можно создать простую плоскую модель черной дыры, но интересно, что это такое и может ли эта невероятная энергия ввести нас в совершенно новую физику. Есть очень популярная теория, что наша Вселенная – это одна из многих, многих, многих Вселенных. В этих моделях черные дыры могут быть тем самым тоннелем, который позволяет путешествовать через это.

Это кажется научной фантастикой, но на самом деле это вполне возможно, мы сумеем на эти вещи начинать не то, что отвечать, по крайней мере, заглядывать туда. В этом плане объявление регистрации гравитационных волн для меня лично более даже важно - не очередное подтверждение теории относительности, что, конечно, очень важно, а тот инструментарий, который нам дает для изучения этих объектов.

Александр Кан: Мы говорим о том, что впервые удалось зарегистрировать гравитационные волны. Произошла регистрация явления, которое случилось как давно? У нас есть какая-то точка отсчета для этого?

Р.С.: Больше миллиарда лет назад – 1,2 – 1,4 миллиарда лет назад.

А.К.: Если сейчас удалось впервые зарегистрировать, означает ли это, что теперь ученые смогут регистрировать гравитационные волны в рутинном порядке и получать их многочисленные проявления, изучать, сравнивать, или это одноразовый чрезвычайно сложный и трудно повторимый эксперимент?

Р.С.: Нельзя, к сожалению, ответить с точной определенностью, но я очень сильно надеюсь, и эти надежды основаны на чем-то, что мы действительно входим в эру, когда мы сумеем регистрировать гравитационные волны от самых разных объектов. В научном сообществе ходят слухи, что ребята из LIGO – гравитационной обсерватории - сидят и на других событиях тоже.

Если вы слушали вчера пресс-конференцию, интересным моментом было то, что они зарегистрировали это событие в сентябре, до того как они начали свой запуск снятия данных для науки. Когда ты запускаешь новый прибор, у тебя сначала идет инженерный запуск, и ты месяц работаешь в таком режиме, а потом уже начинается научный запуск. Это событие произошло и было зарегистрировано до того, как начался научный запуск.

Вполне возможно, они сидят и на других событиях, которые не такие сильные, поэтому нужно больше времени для анализа, для уверенности в себе. У меня есть большая надежда, что мы входим в эпоху рутинных регистраций самых разных гравитационных волн от самых разных явлений.

М.С.: Из четырех известных нам сегодня видов взаимодействия, гравитационные – с одной стороны, наиболее слабые, с другой стороны, они дальнодействующие, если можно так выразиться. Эйнштейновская теория постулирует их распространение со скоростью электромагнитных волн, фактически со скоростью света. Если, скажем, на несколько порядков поднять чувствительность приемников, которыми мы сейчас располагаем, недостатка в подобного рода явлениях, наверное, не будет.

Исходя из того, что Вселенная очень большая, где-нибудь в каком-нибудь ее уголке обязательно в какой-то момент - сейчас или миллиард лет назад - массивные объекты, необходимые для того, чтобы запустить гравитационные волны, друг с другом сталкивались – будь то черные дыры, или нейтронные звезды, или другие сверхмассивные тела. В том, что касается пока совершенно непонятных нам темных материй и темных энергий, в какой степени эти две составляющие фундаментальной науки - гравитационные волны и стоящая за ними математика могут быть использованы для понимания темной материи и темной энергии в первую очередь?

Р.С.: Самой прямой связи здесь нет, но опосредованно есть очень сильная. Гравитационные волны – это еще одно свидетельство, как мы уже говорили, о том, что наше понимание гравитации, искривления пространства, времени правильное. Общая теория относительности и это самое искривление было использовано для того, чтобы лучше понять, правда, косвенным способом все еще, распределение темной материи во Вселенной.

Когда свет из далекой звезды доходит до нас, до Земли, проходя мимо очень массивного объекта, такого как, например, черная дыра, он искривляется. Искривление можно посчитать с помощью уравнений общей теории относительности. Мы получили сейчас еще одно подтверждение, что эти уравнения действительно можно использовать. Связь, безусловно, есть.

Для того чтобы разбить этот орешек, решить эту проблему – темной материи и, тем более, темной энергии, нам много придется покопаться. Хотя все зависит от того, насколько к нам добра природа. Может быть, темную материю мы тоже уже увидим в этом или в следующем году. Эксперименты работают, довольно чувствительные, мы не знаем, когда это случится.

М.С.: А дальше дело за малым – за темной энергией, которая, как предполагается по некоторым оценкам, едва ли не три четверти массы Вселенной, но из чего это сделано и как это пощупать руками, пока совершенно непонятно. Вам, Алик, на заметку: если вы в каком-нибудь поисковике наберете "Крест Эйнштейна" и посмотрите картинку, увидите очень занимательную картинку – четыре достаточно ярких объекта, расположенных в форме креста. При определенном желании можно их так интерпретировать.

На самом деле это один объект, искривляемый той самой гравитационной линзой Эйнштейна. В завершение вопрос, ответа на который требовали сегодня мои коллеги по службе, причем требовали с точностью, по возможности, до месяца, а лучше до недели. Сравнительно недавно по историческим меркам в 1925 году господин Эйнштейн определился, в конце концов, с теорией относительности, собрал вместе пространство-время, выяснил, что вблизи тяжелых массивных объектов время замедляется. Не прошло и сто лет, как это свойство пространства-времени, предсказанное Эйнштейном, используется в GPS-приемниках.

Теперь, когда у нас есть гравитационные волны, а наука движется с все большим ускорением, - мы здесь на "Пятом этаже" часто вспоминаем Станислава Лема, который говорил, что от лучины до газовой лампы прошла тысяча лет, а от газовой лампы до лазера – сто, - когда мы увидим практические последствия, когда наши микроволновки и холодильники будут использовать гравитационные волны и иные достижения квантового микромира?

Р.С.: Я не сумею точно ответить на вопрос, когда это будет, но то, что это будет, я нисколько не сомневаюсь. Любое фундаментальное естественно-научное открытие приводило нас к технологическим прорывам. Примеров можно сколько угодно. Вы привели очень хороший пример. Когда Эйнштейн написал свое уравнение специальной теории относительности о замедлении времени и прочем, практического применения не было видно никакого. Не прошло и ста лет, как оно появляется.

Другой пример – это Фарадей, который показывал свои опыты электромагнитной индукции в середине XIX века. Когда его спросили, зачем это нужно, он сказал, это ни зачем не нужно, это фундаментальная наука. Сейчас любой наш двигатель, электромотор работает на этом принципе.

Есть две вещи. Есть сами гравитационные волны. Кто его знает, может быть, научимся сквозь черные дыры в другую Вселенную переходить. Есть технология, которая развивается для того, чтобы их зарегистрировать, допустим, лазеры, которые были использованы. Это, конечно, может использоваться в более ближайшем времени.

М.С.: Мы упоминали черные дыры, довольно много сегодня про них говорили. Интересно, что сама по себе черная дыра теоретически была обнаружена в 1784 году, если мне не изменяет память, причем священником по образованию по фамилии Митчел, который открыл эту штуку на кончике пера, что называется. Черными дырами, правда, мы и сейчас не очень можем пользоваться, но зато можно, например, про них кино какое-нибудь снять, не говоря уже о том, что действительно, может быть, когда-нибудь они нам пригодятся в практическом смысле.

Разговоры о том, что фундаментальной физике осталось жить 20-30 лет, были популярны во времена Бора в начале XX века, что уже вот-вот все будет открыто, расписано по формулам, и после этого физики переквалифицируются в управдомы. Возникает такое ощущение, что сейчас чем дальше развивается наука, тем более очевидно делается, что еще нескольким поколениям физиков безработица не светит, да?

Р.С.: Полностью согласен и очень на это надеюсь.

Новости по теме