Леонид Чечин: «Гравитационные волны – новое подтверждение теории Эйнштейна»

Леонид Чечин физик космос

Недавно астрономам из обсерватории LIGO впервые удалось обнаружить колебания пространства-времени, вызываемые слиянием черных дыр. Обнаружение произошло спустя сто лет после того, как Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности предсказал гравитационные волны. Астрофизики говорят, что это открытие позволяет по-новому взглянуть на Вселенную. Начальник отдела перспективных астрофизических исследований Астрофизического института им. Фесенкова, член-корреспондент НАН РК, доктор физико-математических наук, профессор Леонид Чечин попытался как можно проще объяснить нам всю важность этого эпохального прорыва.

Леонид Михайлович, подтверждение существования гравитационных волн стало самым громким научным событием начавшегося года. Разъясните подробнее и по возможности как можно проще, что это такое?

– В общей теории относительности (ОТО) свойства пространства-времени совсем не похожи на привычные для нас их характеристики – оно искривляется, и кривизна может меняться со временем. Искривление пространства-времени зависит от того, как движется это тело, куда движется, с какой скоростью. Пример такого искривления можно представить на идеальной сфере. Она хотя и искривлена, но сама поверхность гладкая. Вообразим теперь участок реальной поверхности Земли. Она локально искривлена, хотя и незначительно. Но когда какое-то малое тело, например лыжник в слаломе, спускается с горы, он чувствует все искривления. Поэтому время его спуска увеличивается в сравнении со временем движения вдоль гладкой поверхности.

Так и в ОТО приближенным решением уравнений Эйнштейна является такое пространство-время, которое представляет собой бегущую рябь на фоне гладкого пространства-времени. То есть все пространство-время как бы немного дышит. Эта рябь и называется гравитационными волнами. Подчеркну, что это прямое следствие уравнений общей теории относительности.

В чем суть эксперимента с гравитационными волнами?

– Астрономы, физики и инженеры создали прибор, который называется интерферометром LIGO. Он состоит из двух плеч, которые перпендикулярны друг другу. При этом важно найти космический объект или источник гравитационных волн, который может порождать сильную рябь пространства-времени. В качестве такого объекта используется двойная система черных дыр. У них колоссальные массы, которые больше массы Солнца более чем в миллион раз. Кроме того что они сильно искривляют пространство-время, черные дыры находятся в относительном движении. Между ними есть определенное расстояние, так что получается своеобразный гравитационный диполь. Он порождает гравитационные волны и гравитационное излучение, вследствие чего происходит слияние черных дыр. Интересно заметить, что зафиксированное гравитационное излучение было порождено сливающимися черными дырами более одного миллиарда лет назад.

Леонид Чечин физик космос

Что нам в будущем может дать на практике знание об этих волнах? Может быть, речь идет о возможности межгалактических путешествий?

– Гравитационные волны являются прямым, но очень важным следствием общей теории относительности. Астрономы говорят, что открывается новый канал связи для изучения Вселенной. Действительно, для электромагнитных волн есть вещества и объекты, которые не пропускают их. Но гравитационные волны проходят везде и взаимодействуют с любой материей. Может быть, они смогут пройти сквозь черные дыры и изменить свое состояние, а зафиксировав такое изменение, можно понять, что находится внутри черных дыр. Только тогда могут быть сформулированы новые принципы и, по-видимому, развита новая физика, но пока говорить о таких возможностях рано. Рассуждать же об их использовании в космических перелетах не имеет никакого смысла.

Могут ли принимать в будущем в проектах по изучению гравитационных волн казахстанские специалисты?

– В разработке этого интерферометра приняла коллаборация из 133 научных организаций со всего мира. К сожалению, Казахстана там нет. Я не знаю, когда наши ученые начнут работать над этим вопросом. Здесь нужно вкладывать средства для повышения точности и чувствительности такого прибора. Также, насколько я знаю, среди моих коллег нет тех, кто бы занимался экспериментальной частью проблемы гравитационных волн.

Если говорить в общих словах, то наша наука, конечно, движется вперед, развивается поступательно. Перспективы у нее хорошие. Подтверждением тому – возросшие показатели по отечественным и зарубежным публикациям, по привлечению молодежи в науку и т. д.

Нет ли опасности, что нынешнее открытие лишь мистификация или попытка выдать желаемое за действительное?

– Любая наука имеет свои основания. Если ее представить в виде дерева, то можно сказать, что корни – это принципы и законы. Ньютоновская механика, которую мы учили в школе, основана на трех законах и принципе относительности. Причем принцип относительности в ней играет очень важную роль. Потом дерево начинает расти вверх, у него появляются ствол, крона. Ствол это силы, которые используются для формирования кроны – исследование динамики тел, движения жидкостей и т. д.

Точно такая же логика существует и в любых других теориях. Специальная теория относительности Эйнштейна (СТО) олицетворяет уже другую, неньютоновскую, физику, потому что в ней заложены другие основания – специальный принцип относительности и концепция четырехмерного пространства-времени. Действительно, кроме трех основных линий измерения – длина, ширина, высота – в СТО существует еще одно – время. Все они перпендикулярны друг другу. Его так и называют «пространство-время». В англоязычной литературе это просто – spacetime. Тем самым подчеркивается полное внутреннее единство всех четырех измерений. Из этих двух оснований следуют, например, вся электродинамика (уравнения Максвелла, законы переменного и постоянного токов, электромагнитные волны) и ее практическое использование (радиолокация, сотовая связь и т. д.)

Позже возникла еще одна теория Эйнштейна – ОТО (общая теория относительности). Здесь также заложены другие основания. Важнейшее из них – четырехмерное пространство-время, но которое становится искривленным. Это была гениальная идея Эйнштейна. Он предположил, что гравитации нет, а есть искривленное пространство-время. Оно искривляется благодаря большим массам и их движению. Стоит отметить, что время также искривляется. Например, если поместить часы вблизи Солнца, они будут идти медленнее, чем на Земле. Другие следствия ОТО – отклонение лучей света, изменение пространственных масштабов и т. д. Среди них и гравитационные волны. Поэтому, на мой взгляд, говорить, что с их открытием возникла новая физика, нельзя.

Леонид Чечин физик космос

Слухи о том, что волны открыли, появились довольно давно. Почему об этом так долго не говорили в СМИ?

– Нужно было в пространстве найти такой объект – систему двух черных дыр, который дает наибольшее излучение. При этом интерферометр ориентирован так, чтобы по одному из его плеч проходила гравитационная волна. В другое плечо излучение тоже попадает, но под другим углом и с малой интенсивностью. В эти плечи особым образом направляются лазерные лучи, первый из которых движется в искривленном, а второй – в почти плоском пространстве. Поэтому возникает разность во времени их движения. Она чрезвычайно мала, но ее нужно зафиксировать. Смысл эксперимента заключается в том, чтобы ее зафиксировать и измерить. Измерением этой разницы (несколько миллисекунд) астрономы доказали существование гравитационных волн.

Для того чтобы провести этот эксперимент, длина каждого плеча интерферометра должна составлять примерно 3 км, при этом они должны быть идеально прямыми. Каждый участок плеча оснащен огромным количеством датчиков. Любые колебания почвы, землетрясения, подземные взрывы и даже шаги человека могут помешать эксперименту. Поэтому нужна его колоссальная точность и тончайшая настройка, чтобы все было почти идеально. И чем идеальнее конструкция, тем с большей точностью будут проводиться измерения. На строительство такого интерферометра и его тестирование ушло несколько лет. Вот почему долгое время не было возможности публично заявить о существовании гравитационных волн.

Беседовала Ольга ДАРИБАЕВА

Фото Кайрата КОНУСПАЕВА

Плюсануть
Поделиться
Класснуть
Запинить
Рубрика: Наука и жизнь

Добавить комментарий

Популярное