Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

В XXI в. планируется множество других прецизионных экспериментов, цель которых – проверить точность общей теории относительности; в их числе новые эксперименты с двойными звездами и даже опыты с отражением лазерного сигнала от поверхности Луны. Но самые интересные опыты, вероятно, будут связаны с гравитационными волнами. Эйнштейн предсказал гравитационные волны в 1916 г., однако он не надеялся увидеть когда-либо реальное подтверждение этого трудноуловимого феномена. Экспериментальное оборудование начала XX в. было попросту слишком примитивным. Но в 1993 г. Нобелевская премия была присуждена двум физикам – Расселу Халсу и Джозефу Тейлору – за косвенное подтверждение существования гравитационных волн при исследовании двойных звезд, обращающихся друг вокруг друга.

Халс и Тейлор рассмотрели пульсар PSR 1913+16 – двойную нейтронную звезду на расстоянии 16 000 световых лет от Земли; две «мертвые» звезды обращаются вокруг общего центра с периодом 7 часов 45 минут, излучая при этом гравитационные волны в огромном количестве. Представьте, к примеру, перемешивание патоки двумя ложками, которые ходят по кругу друг за другом. За каждой ложкой остается расходящийся паточный след. Аналогично, если мы заменим патоку тканью пространства-времени, а ложки – «мертвыми» звездами, мы обнаружим, что две звезды ходят по кругу друг за другом, излучая волны гравитации. Эти волны уносят энергию звезд, и они, постепенно, по спирали, сближаются. Анализируя сигналы системы, можно экспериментально определить величину уменьшения радиуса орбит звезд этой пары. Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что две звезды на каждом обороте должны сближаться приблизительно на миллиметр. За земной год расстояние между звездами уменьшилось примерно на метр при диаметре орбиты около 700 000 км, что в точности соответствовало расчетам по уравнениям Эйнштейна. В реальности система из этих двух звезд должна полностью схлопнуться всего через 240 млн лет за счет потери энергии с излучением гравитационных волн. Этот высокоточный эксперимент можно интерпретировать и иначе – как проверку общей теории относительности Эйнштейна. Полученные числа настолько точны, что можно сделать вывод: общая теория относительности точна на 99,7 % (что намного меньше погрешности эксперимента).

Не так давно сильный интерес научной общественности вызвала серия долгосрочных экспериментов по непосредственному наблюдению гравитационных волн. Проект LIGO («Лазерный интерферометр для наблюдения гравитационных волн»), возможно, окажется первым, в ходе которого удастся «увидеть» гравитационные волны, скорее всего, от столкновения двух черных дыр в дальнем космосе. LIGO – сбывшаяся мечта физика, первая установка достаточной мощности для измерения гравитационных волн. LIGO состоит из трех лазерных установок в США (две в Хэнфорде, штат Вашингтон, и одна в Ливингстоне, штат Луизиана). На самом деле это часть более крупного международного консорциума, включающего, помимо LIGO, франко-итальянский детектор VIRGO в Пизе (Италия), японский детектор TAMA в пригороде Токио (Япония) и британско-германский детектор GEO600 в Ганновере (Германия). Постройка LIGO обойдется в конечном итоге в $292 млн (плюс $80 млн на запуск в эксплуатацию и обновление), что сделает его самым дорогим проектом Национального научного фонда США.

Лазерные детекторы в LIGO очень похожи на устройство, которое использовали на заре XX в. Майкельсон и Морли в попытке обнаружить эфирный ветер; основная разница – то, что вместо обычного светового луча используется луч лазера. Лазерный луч расщепляется на два отдельных луча, которые далее идут перпендикулярно друг другу. Затем, отразившись от зеркала, они вновь соединяются. Если через интерферометр пройдет гравитационная волна, длины путей двух лазерных лучей претерпят возмущение и это отразится в их интерференционной картине. Чтобы убедиться в том, что сигнал, зарегистрированный лазерной установкой, не случаен, детекторы следует разместить в разных точках Земли. Только под действием гигантской гравитационной волны, намного превышающей по размеру нашу планету, все детекторы сработают одновременно.

Когда-нибудь NASA и ЕКА разместят серию аналогичных лазерных детекторов в открытом космосе. NASA планирует запустить три спутника под общим названием LISA («Лазерная интерферометрическая космическая антенна») [29]. Они должны обращаться вокруг Солнца примерно на орбите Земли, образовав равносторонний треугольник (со стороной около 5 млн км). Система будет настолько чувствительной, что сможет регистрировать колебания в одну долю из миллиарда триллионов (соответствующую сдвигу в одну сотую атомного диаметра); с ее помощью ученые получат возможность зарегистрировать первичные гравитационные волны от Большого взрыва. Если все пойдет хорошо, LISA поможет разобраться в событиях, происходивших в первую триллионную долю секунды после Большого взрыва. Возможно, это будет самый мощный из космологических инструментов, исследующих рождение Вселенной. Это важно; считается, что LISA поможет получить первые экспериментальные данные о конкретной природе единой теории поля – теории всего.