Новости из далекого прошлого

Такое влияние гравитации ощущается и вдали от массивного тела (но чем дальше, тем меньше будут пробные треугольники отличаться от евклидовых), и это говорит нам, что масса окружена гравитационным полем – подобно тому, как электрический заряд окружен электрическим полем. И вот эта аналогия навела Эйнштейна на мысль, что точно так же, как при ускоренном движении заряда излучаются электромагнитные волны, так при ускоренном движении массивного тела должны излучаться в пространство волны гравитационные. Как наглядно представить себе такие гравитационные волны? Наблюдатель, непрерывно измеряющий стороны пробного треугольника в какой-то точке поля, увидит, что с какого-то момента отличие результатов от эвклидовых начнет нарастать, достигнет максимума и начнет спадать - это через данную точку прошла гравитационная волна.

Но аналогия «гравитация - электричество» имела и более глубокие последствия. Та электромагнитная (а при определенных частотах – световая) волна, которую излучает ускоренно движущийся электрон, в определенных условиях ведет себя, как показал тот же Эйнштейн, как поток частиц (фотонов). Значит, если продлить аналогию Эйнштейна, можно предположить, что и гравитационные волны в определенных случаях могут вести себя как поток квантовых частиц. Они получили название гравитонов. Как это понимать? Это можно представить себе таким образом. Подобно тому, как энергия электромагнитного излучения всегда испускается в виде целочисленного количества определенных порций (квантов), так и энергия гравитационного излучения всегда содержит целое число своих порций, гравитационных квантов (гравитонов). Наличие такой квантованности гравитационных волн указывает на возможную квантовую природу гравитации.

Этот вывод из аналогии Эйнштейна вызвал огромный интерес у физиков, поскольку он намечал путь к объединению теории элементарных частиц и теории гравитаций на общей квантовой основе. Но вывод этот, как мы видим, покоился на предположении о существовании гравитационных волн. А далеко не все ученые были с этим предположением согласны. Поэтому физики-экспериментаторы начали искать предсказанные Эйнштейном гравитационные волны, чтобы проверить или опровергнуть его предположения. Однако теоретические расчеты вскоре показали, что мощность гравитационных волн, испускаемых телами обычной массы при их ускоренном движении, так мала, что никакие приборы напрямую зарегистрировать их не могут. Тут нужны тела и ускорения космических масштабов. Но даже в космосе звезды и галактики движутся медлительно и величаво, не испытывая таких гигантских ускорений, которые нужны для образования заметных гравитационных волн. Поэтому проверка гипотезы Эйнштейна застопорилась на многие десятилетия, пока не сложилась современная теория рождения вселенной.

Как вы, возможно, помните, в этой теории вселенная родилась в результате чудовищного взрыва (Биг Бэнга), в ходе которого сначала образовался первичный, фантастически тяжелый и плотный, комочек плазмы, а затем произошло его столь же фантастически стремительное раздувание (по-английски inflation, что вошло в русский научный язык, как «инфляция»). Чтобы представить себе скорость этого раздувания, прибегнем к небольшой арифметике. Что такое десять в минус первой степени? Это одна десятая. А десять в минус второй? Понятно, одна сотая. А в минус третьей? Одна тысячная. Теперь представьте себе, если можете (я не могу), десять в минус 35-й степени секунды! Вот за это время инфляция превратила первичный комочек (который был в десять минус какой-то огромной степени меньше кубического сантиметра) в шарик величиной с апельсин. Подсчеты показали, что для такого гигантского раздувания за такое ничтожное время скорость расширения шарика должна была быть неизмеримо больше скорости света (в этом не было противоречия с эйнштейновым постулатом предельности скорости света, так как при инфляции раздувалось само пространство, а постулат этот относится к движению тел «внутри пространства»).

Казалось бы, какое отношение имеет инфляция к гравитационным волнам? Самое прямое. Чтобы достичь такой скорости, а потом замедлиться до нынешней скорости расширения вселенной (жалкие десятки километров в секунду), нужны были столь же фантастические ускорения, а затем замедления, причем ускорялась и замедлялась сразу вся масса вселенной. Вот тут уже и должны были загулять в пространстве вполне заметные гравитационные волны. Разумеется, когда все успокоилось, эти волны тоже затихли, но физики, поняв, что они должны были какое-то время существовать, тут же задумались: а не могли ли эти волны оставить какие-нибудь следы своего былого существования? И задумавшись, поняли, что могли. Они рассуждали так: по мере своего инфляционного расширения вселенная остывала, и если поначалу частицы, которые в ней возникали, тут же разрушались в столкновениях друг с другом и с фотонами, то по окончании инфляции температуры упали настолько, что частицы (сначала электроны, протоны и т. д., а потом и целые атомы), уже могли устойчиво существовать (при низкой температуре фотонам уже недоставало энергии, чтобы их тут же разбить). А это значит, что между частицами возникла пустота, которая тут же заполнилась остававшимся во вселенной излучением (оно так и было названо – остаточным). Это излучение сначала было горячим, но и оно остывало со временем, и к нашим дням из жестких гамма-лучей превратилось в далекие инфракрасные и микроволновые фотоны, но его все еще можно «почувствовать» с помощью специальных приборов. Так вот, поскольку излучение это возникло еще во времена «гуляния» гравитационных волн, такие волны должны были оставить в нем свой отпечаток, и его можно попытаться отыскать.

Далее история развивалась так. Сначала физики нашли первые подтверждения того, что их картина рождения вселенной верна: два американских ученых обнаружили описанное выше остаточное излучение, заполняющее, как и следовало из теории инфляции, всю вселенную и имеющее именно такую температуру (около 3 градусов Кельвина), которую теория инфляции предсказывала для остаточного излучения на нынешний день. Затем в пространственной картине этого излучения были найдены следы тех чуть более холодных мест, где когда-то начали возникать первые сгустки атомов, породившие нынешние галактики. А потом, на третьей стадии, начался поиск следов гравитационных волн в этом излучении. Согласно расчетам теоретиков, эти волны, которые, как мы уже знаем, представляли собой распространяющиеся деформации пространства, должны были действовать на электромагнитное излучение, как поляризационные фильтры. Поясню: поляризационный фильтр пропускает только такие волны, в которых колебания происходят в одной какой-то плоскости (которая называется плоскостью поляризации).

Наглядный пример. Сделайте в листе бумаги узкую вертикальную щель, пропустите сквозь нее нитку и попробуйте пустить по этой нитке волны. Понятно, что сквозь щель пройдут только такие волны, когда нитка колеблется в плоскости щели, но если вы будете раскачивать нитку перпендикулярно щели, эти колебания сквозь щель не пройдут. Так вот, волны гравитации, вызванные инфляцией, должны были, согласно расчетам, создавать в каждом объемчике вселенной такой вот фильтр, такую щель для электромагнитных волн, только в каждом объемчике эта щель была чуть повернута относительно щели соседнего объемчика. В результате стрелочки, изображающие эти щели (они же - плоскости колебаний в каждом объемчике вселенной), должны были образовать нечто вроде вихря - как чаинки в стакане, если крутить в нем ложкой. Вот эта теоретически предсказанная картина:

В 2009 году для проверки этих теоретических предсказаний была отправлена в космос специальная обсерватория «Планк». Результаты обработки собранных ею данных, опубликованные в 2013 году, во многом совпали с выводами инфляционной теории. Но данные о поляризации остаточного излучения оказались сомнительными. Одновременно на Южном полюсе (где условия наблюдения - высота, прозрачность атмосферы, уровень помех - лучше, чем в населенных местах) уже с 2006 года начал работать радиотелескоп BICEP1, специально предназначенный для поиска и измерения такой поляризации. В том же 2013 году международная группа ученых, работавшая на этом приборе, объявила, что получила искомый сигнал, хотя и небольшой силы. А затем в строй вступила более совершенная установка BICEP2, и исследователи трижды получили на ней сигнал одинаковой и достаточно большой силы, который нельзя уже было спутать с «шумом». Вот после этого они и объявили недавно, что следы гравитационных волн обнаружены. И хотя эпопея еще не окончена - сейчас строится еще более чувствительный BICEP3 для проверки открытия, - можно уже с достаточной уверенностью сказать, что великий Эйнштейн еще раз оказался прав.

Каково же значение этой нашумевшей научной сенсации? Теперь, я думаю, вы и сами можете сказать: во-первых, результат BICEP2 является подтверждением гипотезы о существовании гравитационных волн, во-вторых, он является доказательством правоты теории инфляции, и в-третьих, он открывает путь к возможному объединению всех сил природы в единой теории квантовой гравитации.

Точно так же охарактеризовали значение этого открытия ведущие научные журналы мира Nature и Science.

Рафаил Нудельман
"Окна", 27.03.2014