Физика занимает первые полосы газет по всему миру. На этот раз причиной стало заявление группы ученых, которые, похоже, нашли косвенные доказательства существования «первичных гравитационных волн».
Автор: Карлос Сабин, Ноттингемский университет
Однако более значимым прорывом стало бы прямое обнаружение гравитационных волн. Над этим работают многие ученые, но все их усилия связаны с масштабными и дорогостоящими экспериментами. Новые разработки показывают, что это можно сделать с помощью устройства размером не больше коробки на столе.
Гравитационные волны — это предсказание общей теории относительности Эйнштейна. Согласно Эйнштейну, яблоки падают не потому, что их притягивает сила, исходящая из центра Земли. На самом деле причина в том, что Земля изменяет пространство и время таким образом, что яблоки падают, не ощущая никакой силы.
В свободном падении яблоки движутся по кратчайшему пути в единой структуре, называемой пространственно-временным континуумом, который, как следует из названия, представляет собой ткань пространства и времени. Масса объекта формирует пространственно-временной континуум вокруг него. Поэтому, если объект с определенной массой движется, пространственно-временной континуум меняется в зависимости от его движения.
Согласно теории пространства-времени, движение массивных объектов определенным образом создает гравитационные волны. Теория Эйнштейна предсказывает, что гравитационные волны должны были образоваться вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная увеличилась с размера атома до размера теннисного мяча. Масштаб этого события был таков, что рябь, создаваемая этими волнами, может быть обнаружена даже сегодня. К такому выводу пришла научная группа BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarisation, «Фоновое изображение космической внегалактической поляризации»), объявив на этой неделе о результатах своего исследования.
В то время как другие аспекты общей теории относительности Эйнштейна получили множество экспериментальных подтверждений, гравитационные волны до сих пор не наблюдались напрямую. У нас есть множество косвенных доказательств их существования, и наблюдение BICEP стало еще одним таким доказательством.
Но результаты BICEP можно сравнить с изучением окаменелости. Изучать окаменелость интересно, но поймать живого динозавра — совсем другое дело. Именно этим занимается другое научное сообщество под названием LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), с тех пор как в 2002 году стартовал этот эксперимент.
Гравитационные волны
Гравитационные волны возникают, когда два массивных объекта ускоряются относительно друг друга, например когда два объекта вращаются вокруг друг друга. Однако гравитационные волны, возникающие при вращении Земли вокруг Солнца, очень сложно обнаружить. Поэтому, если мы хотим увидеть пространственно-временные колебания в действии, нам нужно полагаться на другие источники, например на слияние двух черных дыр.
Ученые, работающие с LIGO, считают, что смогут обнаружить малейшие изменения, вызванные гравитационными волнами. В их эксперименте участвуют два зеркала, между которыми отражаются два лазера. Если гравитационные волны будут взаимодействовать с этими лазерами, то время, за которое один лазер достигнет детектора, по сравнению со временем, за которое до него дойдет другой, немного изменится.
Чтобы повысить вероятность обнаружения таких незначительных изменений, зеркала должны весить 10 кг, находиться в вакууме, быть разнесенными на несколько километров и изолированными от любых возможных источников вибрации. Даже после 12 лет работы и многочисленных модернизаций об успешном наблюдении пока не сообщалось.
К счастью для жизни на Земле, такие события, как слияние черных дыр, обычно происходят далеко от нашей планеты, а значит, к тому времени, когда гравитационные волны достигают Земли, они уже очень слабые. Чтобы обнаружить эти волны, нам нужно находиться близко к источнику, как, например, для того, чтобы хорошо слышать музыку, нужно находиться близко к источнику звуковых волн (например, к колонкам). Именно поэтому Европейское космическое агентство планирует в 2034 году запустить космическую антенну с лазерным интерферометром (LISA) для обнаружения гравитационных волн в космосе с помощью спутников, расположенных на расстоянии нескольких миллионов километров друг от друга.
Другой подход
Другой подход, предложенный исследователями из Ноттингемского университета (в том числе и мной) под руководством Иветт Фуэнтес, заключается в поиске гравитационных волн в гораздо более компактной системе, например в конденсате Бозе — Эйнштейна (КБЭ). КБЭ — это скопление атомов, скажем, из ста миллионов, которые удерживаются в очень маленьком (шириной меньше человеческого волоса) и очень холодном (–273 °C) пространстве.
Обычно атомы ведут себя как сумасшедшие дети, носившиеся в разные стороны с огромной скоростью, но в описанных выше условиях они ведут себя прилично, потому что у них недостаточно энергии для безумных выходок. В каком-то смысле все атомы держатся за руки и становятся единым целым — можно представить, что это мирное квантовое море. Волны в квантовом море — это скопления квантовых частиц, называемых фононами, которые при определенных условиях очень похожи на частицы света (фотоны), только движутся гораздо медленнее.
Фотоны летят, а фононы колеблются. Идея, реализованная Иветт Фуэнтес, Дэвидом Бруски, Мехди Ахмади и мной, заключалась в том, чтобы рассмотреть конкретную волну в «море» конденсата Бозе — Эйнштейна и проанализировать изменения, которые вызывает в ней гравитационная волна. Мы пришли к выводу, что эти изменения достаточно значительны, чтобы их можно было обнаружить в ходе эксперимента, а значит, наше устройство в принципе может быть более чувствительным к прохождению крошечной гравитационной волны, чем LIGO. И вся эта конструкция могла бы уместиться в большой коробке на столе или, максимум, в маленькой комнате.
Несмотря на то, что это всего лишь предварительный теоретический результат, мы считаем, что он достаточно многообещающий, чтобы открыть новое направление исследований, которое дополнит все существующие. Цель состоит в том, чтобы наконец увидеть таинственную рябь пространства-времени, не только чтобы окончательно подтвердить теорию Эйнштейна, но и чтобы расширить наши представления о структуре Вселенной. Если все получится, физика снова может оказаться на первых полосах газет по всему миру.