Эйнштейн оказался прав, но и Шварцщильд тоже

Что это значит? Грубо, но наглядно можно сказать, что пока массивное тело покоится, окружающее его пространство будет иметь в каждой точке определенную кривизну: ближе к телу – больше, а чем дальше – тем меньше (пока в очень большой дали не станет вообще практически плоским). Но если тело резко изменит положение, то резко изменятся, как легко понять, и значения кривизны во всех окружающих его точках гравитационного поля. Сначала это изменение произойдет в ближайших точках, это повлечет за собой соответствующее изменение в точках более дальних и так далее – иными словами, в пространстве пройдет «волна изменения кривизны». Аналогично, этот резкий сдвиг тела вызовет изменение скорости течения времени в прилегающих точках поля и отсюда это изменение тоже начнет распространяться во все стороны. Это совместно распространяющееся изменение кривизны пространства и скорости течения времени как раз и называется гравитационной волной.

Как видим, теория Эйнштейна воистину была фундаментальна, потому что она кардинально меняла все прежние представления. Со времен Ньютона физика считала, что пространство и время абсолютны – в том смысле, что их свойства не зависят от тяготения и вообще ни от чего: пространство – это пустое вместилище, внутри которого движутся все тела, связанные взаимным тяготением, а время – это часы, безучастно отсчитывающие секунды, одинаковые во всех уголках этого «ящика». Теперь оказалось, что время и пространство не только связаны с движением этих тел и друг с другом (что показала частная теория относительности Эйнштейна), но связаны также с тяготением, которое определяет их свойства в каждой точке и способно возбуждать волнообразно распространяющееся изменение этих свойств. Все это требовало экспериментального подтверждения. Первое предсказание Эйнштейна было вскоре дано Эддингтоном, который обнаружил упомянутое искривление световых лучей при движении мимо Солнца. Много позже, с появлением лазеров, удалось доказать прямыми измерениями также и вывод о замедлении времени вблизи массивных тел. Но вот предсказанные Эйнштейном гравитационные волны никто никогда не наблюдал.

Причиной тому была малость тех пространственно-временных изменений, которые вызывались приходом этих волн. В самом деле – как должна гравитационная волна действовать на приборы? Как уже сказано, она должна менять кривизну в их разных точках, грубо говоря – менять размеры. Понятно, что эти изменения будут тем больше, чем больше волны, а волны будут тем больше, чем массивнее тела, их порождающие. Так вот, расчеты показали, что волны, испускаемые ускоренным движением – или столкновениями - отдельных планет и даже звезд должны вызывать в приборах не просто микроскопические, а неуловимо микроскопические изменения.

Чтобы произвести уловимые изменения, волны должны порождаться движением сверхмассивных тел - например, нейтронных звезд (которые состоят из вплотную прижатых друг к другу нейтронов), И действительно, в 1974 физики обнаружили пару нейтронных звезд, которые кружились по орбитам вокруг общего центра масс и при этом их орбиты все время сближались, причем как раз с такой скоростью, какая должна была быть, если учесть, что гравитационные волны, непрерывно порождаемые ускоренным движением этих звезд, ежесекундно уносят определенную энергию (причем именно такую, которую предсказывают уравнения Эйнштейна). Это было косвенное подтверждение реальности таких волн, и авторы открытия получили за него Нобелевскую премию. Но оказалось, что даже нейтронные звезды не могут породить волны, которые можно было бы напрямую уловить земными приборами.

Но тут, к счастью, были открыты еще более массивные объекты – черные дыры. И этим наука была обязана второму участнику нашей истории – замечательному немецкому физику Карлу Шварцшильду. Он тоже заслуживает особого упоминания, тем более, что как раз в 2016 году исполняется 100 лет со дня его смерти (в составе германской армии, на российском фронте, и не от пули или снаряда, а от вульгарной аутоиммунной болезни пенфигус, которая довольно часто поражает ашкеназских евреев). Так вот, Шварцшильд был тем человеком, который уже через год после того, как Эйнштейн опубликовал свои уравнения, нашел их первое точное решение, то есть точный вид гравитационного поля для случая неподвижного, строго сферического тела. Сам Эйнштейн в 1915 году нашел только приближенное решение - для движения Меркурия в поле Солнца, и потому крайне обрадовался, получив письмо Шварцшильда (посланное ему с фронта, где в перерыве между боями лейтенант артиллерии Шварцшильд, решал уравнения Эйнштейна в своем блиндаже).

Этот лейтенант, кстати, был обыкновенным гением. К 16-ти годам лет он уже опубликовал две сложнейшие статьи о расчетах орбит двойных звезд. В 28 лет он стал профессором в Гёттингене. В 36 его назначили на самый престижный астрономический пост в тогдашней Германии - директором Потсдамской обсерватории. К началу первой мировой войны он был автором целого ряда крупнейших работ по электродинамике, звездной статистике, квантовой механике и т.д. Тем не менее он пошел добровольцем на фронт (хотя ему был уже 41 год, и он имел право оставаться в тылу). И вот там, за год до своей нелепой смерти, он успел написать три важнейшие научные статьи: две о решениях уравнений Эйнштейна и третью – о квантовом эффекте Штарка. И во второй статье по общей теории относительности он показал, что для всякого тела существует возможность стать невидимым – для этого вся его масса должна быть втиснута в сферу с таким (примерно) радиусом 3М/МС км (где МС - это масса Солнца). Легко понять, что для самого Солнца этот радиус примерно равен 3 км (если точно, то 2.95) Это значит, что если бы вся масса Солнца было втиснута в сферу радиусом около 3-х км, то гравитация на поверхности этой сферы была бы такая, что ни один атом и ни один фотон света не мог бы ее одолеть и улететь в пространство. Не случайно эту сферу называют еще «горизонтом событий» - мы не имеем возможности получить информацию о событиях, происходящих внутри нее. Иными словами, перед нами невидимая «черная дыра».

Сам Эйнштейн не поверил Шварцшильду. В 1939 году он даже опубликовал статью, в которой доказывал, что достичь такого сжатия массы невозможно. Однако сегодня астрономам известны черные дыры массой в сотни, тысячи и даже миллионы Солнц. Ученые полагают, что такие гиганты возникают при столкновениях (и последующих слияниях) двух черных дыр. И можно думать, что рождающиеся в результате таких могучих катаклизмов гравитационные волны тоже должны быть достаточно мощными, чтобы их можно было уловить даже на большом расстоянии.

Действительно, расчеты показали, что волны от такого рода столкновений могут изменить размеры достаточно больших приборов на десятые или сотые доли протона (протон, составная частица атомного ядра, имеет размер 10 -15 м) Как можно уловить такое ничтожное изменение? Здесь опять-таки на помощь приходят лазеры, уже отличившиеся, как говорилось выше, при подтверждении второго предсказания теории Эйнштейна (интересно, что сам Эйнштейн стоял, так сказать, у колыбели лазеров: он открыл фотонный характер света и создал, вместе с Бозе, статистику, лежащую в основу работы лазера).

И теперь мы подходим к загадочному слову LIGO, употребленному выше, как название научного проекта, увенчавшегося обнаружением гравитационных волн. LIGO, а точнее а- LIGO, - это Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, то есть усовершенствованная лазерно-интерферометрическая гравитационная обсерватория (усовершенствованная она потому, что до 2010 года могла уловить волны от соударения двух черных дыр с расстояния 64, а сейчас - с расстояния 190 млн световых лет). Устроена она так: свет от источника попадает на зеркало, где расщепляется на два пучка, идущие по двум взаимно-перпендикулярным туннелям длиной 4 км к двум отражательным зеркалам. Там они отражаются, возвращаются к центральному зеркалу и от него отражаются в детектор, где обе световые волны «складываются» (интерферируют), создавая некую определенную картину на экране. Если же за время пробега через установку прошла гравитационная волна, немного изменившая размеры туннелей, картина на экране должна стать несколько иной. По расчетам, установка могла уловить изменения в одну десятую размера протона. И 14 сентября 2015 года она такое изменение уловила. Анализ последовательных изменений интерференционной картины показал а) что пойманное изменение является достоверным сигналом о прохождении через установку гравитационной волны, б) что эта волна пришла с расстояния примерно в 1.4 млн световых лет и в) что эта волна, судя по расчетам, основанным на уравнениях Эйнштейна, была порождена столкновением двух черных дыр, массой в 36 и 29 МС, в результате чего возникла черная дыра массой 62 МС , а энергия, эквивалентная 3МС , была унесена гравитационными волнами.

Так что Эйнштейн оказался прав. Но и Шварцшильд тоже. А наука получила новое (в дополнение к свету, радиоволнам, рентгеновским и гамма-лучам) орудие для изучения вселенной.

Рафаил Нудельман
"Окна", 18.02.2016