Атомный секундомер поможет в поиске гравитационных волн

Группа учёных из США предложила новый, более чувствительный, метод детектирования гравитационных волн, существование которых было предсказано Эйнштейном почти сто лет назад. Его реализация может помочь ответить на самые фундаментальные вопросы об устройстве окружающего нас мира.

Как-то так должна будет выглядеть предлагаемая система
Как-то так должна будет выглядеть предлагаемая система

В 1915–1916 годах Альберт Эйнштейн представил миру одну из самых великих своих теорий — теорию гравитации, известную теперь как Общая теория относительности (не следует путать со Специальной теорией относительности, разработанной им же на 10 лет ранее). Согласно этой теории, являющейся теперь общепринятой, гравитация представляет собой ничто иное как искривление массивными телами окружающего их пространства.

Одним из многочисленных следствий новой теории стало предсказание существования гравитационных волн. Подобно другим волнам, волны гравитации распространяются в пространстве и представляют собой чередование растяжений и сжатий пространства так же, как, например, волны на воде представляют собой чередующиеся горбы и впадины.

Гравитационные волны, однако, очень слабы, и поэтому пока не поддаются прямому детектированию. В опубликованной только что работе учёные из Стэнфордского университета предлагают для их детектирования использовать группу атомов, связанных между собой квантовым образом. Эта группа делится на две части. Одна из них под воздействием лазерного импульса переходит в возбуждённое состояние, а затем при повторном облучении тем же импульсом, возвращается в изначальное состояние, но с незначительным изменением, которое может быть определено путём сравнения со второй частью группы. При этом величина изменений зависит от времени, которое атомы провели в возбужденном состоянии. Таким образом, эта группа атомов играет роль очень точного секундомера.

Для обнаружения гравитационных волн учёные предлагают пустить лазерный луч по длинному — длиной несколько километров — каналу, отразив его затем назад. Если сквозь этот канал пройдёт волна гравитации, его длина сначала немного увеличится. а затем немного уменьшится. В результате лазерный луч будет идти то чуть дольше, то чуть быстрее. Эти изменения во времени путешествия лазерного луча и позволит засечь предлагаемый атомный секундомер.

Конечно, предлагаемая идея не совсем нова. Существующие сейчас детекторы гравитационных волн, в частности, проект LIGO, используют в чем-то похожий метод. В них два лазерных луча пускаются по двум четырехкилометровым трубам, а затем сравниваются между собой. В норме они совпадают. Если же одна из труб при проходе волны гравитации становится чуть длиннее или чуть короче, то один лазерный луч сдвигается относительно другого, и это регистрируется специальными приборами.

Проблема с таким методом заключается в том, что в процессе распространения лазерные импульсы претерпевают небольшие искажения. Это приводит к возникновению шума, и точность измерения снижается. Новый метод избавлен от этих проблем, поскольку не зависит от внутренних изменений лазерного импульса.

Высокий уровень шумов в существующих установках — одна из причин, почему предсказанный почти сто лет назад феномен до сих пор не нашёл прямых экспериментальных доказательств. Другая причина — слабость самих гравитационных волн. Даже самые чувствительные приборы смогут засечь волны только от поистине грандиозных космических событий. Например, от близкого к нам взрыва сверхновой. Но такие события очень редки, и их приходится ждать по несколько лет.

Учёные, однако, не сомневаются в существовании гравитационных волн. Одной из причин этого является большое количество косвенных признаков их существования. Одним из самых наглядных и твёрдо установленных фактов, доказывающих существование волн гравитации, является зафиксированное сближение двух звёзд, вращающихся друг вокруг друга на близком расстоянии.

Представьте, что вы кинули в воду поплавок. Он начинает колебаться вверх-вниз, а от него бегут во все стороны волны. Через некоторое время поплавок практически останавливается. В этом случае говорят, что энергия его колебаний перешла в энергию волн.

Нечто аналогичное происходит и в двойных звёздных системах. Вращаясь друг вокруг друга, они возмущают окружающее пространство и излучают гравитационные волны. Это приводит к тому, что их собственная энергия уменьшается, и они начинают приближаться друг к другу. Это сближение можно заметить современными астрономическими приборами.

Именно таким способом теория гравитации Эйнштейна совсем недавно получила своё наиболее точное на сегодняшний день подтверждение. Канадские астрономы вначале обнаружили нейтронную звезду, которая оказалась самой массивной из всех известных нейтронных звёзд. А затем разглядели ещё и белого карлика, вращающегося вокруг этой нейтронной звезды на расстоянии, чуть меньшим удвоенного расстояния от Земли до Луны. Как установили учёные, полный оборот эта система делает всего за два с половиной часа.

Наблюдая за системой в течении двух лет, астрономы определили, что период обращения звезд медленно уменьшается — приблизительно на 8 миллионных секунды каждый год. Определив также и массы звёзд, у нейтронной звезды она оказалась в два раза больше, чем у Солнца, а у карлика — в десять раз меньше, учёные показали, что полученный результат с высокой точностью совпадает с предсказаниями теории Эйнштейна.

Деятельность по детектирования гравитационных волн на данный момент носит исключительно фундаментальный характер. Одной из её целей является проверка Общей теории относительности. Известно, что она должна оказаться неполной, поскольку противоречит другой важной теории — квантовой механике, хорошо описывающей происходящее в мире на уровне атомов и элементарных частиц. Однако пока что учёные не смогли дойти до той грани, где была бы заметна эта неполнота. Более того, последние наблюдения отвергают часть из альтернативных теорий. «Святым Граалем» теоретической физики является построения общей теории всего, которая объединяла бы в себе как гравитацию, так и физику атомного мира, и прямое обнаружение волн гравитации может приблизить учёных к достижению этой цели.


Это авторский вариант статьи, опубликованной на сайте «Радио Свобода».

comments powered by Disqus