В погоне за искривлениями пространства

Наука и технологии / ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ Директор Института прикладной физики член-корреспондент РАН Александр Сергеев рассказывает о том, как обнаружили гравитационную волну, в чем состоит вклад российских ученых и какие проблемы им приходится решать

12 февраля, после почти пяти месяцев молчания, ученые обсерватории Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) в США объявили, что еще в сентябре они обнаружили гравитационные волны. В работе этой лаборатории принимали участие две научные группы из России: группа профессора Валерия Митрофанова (кафедра физики колебаний физического факультета МГУ) и группа члена-корреспондента РАН Александра Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород).

Мы обратились к Александру Михайловичу Сергееву с просьбой рассказать о сути эксперимента и о работе российских физиков. 

— Теоретически наличие гравитационных волн было предсказано Эйнштейном в Общей теории относительности более ста лет назад. За это время теоретики предсказали и то, какие астрофизические источники и каким образом излучают эти волны. А в известной статье 1962 года советских ученых Владислава Пустовойта и Михаила Герценштейна впервые теоретически была предложена идея обнаружения гравитационных волн с помощью волн электромагнитных, используя интерферометр Майкельсона. Это в итоге и было реализовано с помощью лазерного излучения.

В связи с этим вспоминаю, что как-то на конференции в Штатах, уже в наше время, я услышал от американского физика такой пассаж: «В Америке бытует мнение, что все, чем мы тут занимаемся сейчас, предложили советские ученые еще в семидесятые-восьмидесятые годы. Это неверно. Некоторые идеи они предложили еще в шестидесятые». Это оказалось удивительно правильным в отношении детектирования гравитационных волн.

Идея эксперимента, предложенного Пустовойтом и Герценштейном и реализованного в обсерватории LIGO, достаточна проста. Дело в том, что гравитационная волна, проходя в пространстве, производит изменение его метрики. Если представить, что у нашего пространства есть каркас в виде сетки Рабица, то под воздействием волны «сетка» пространства в одном направлении сожмется, а в другом растянется, а вместе с ней и все предметы в этом пространстве. Это произойдет и с плечами интерферометра Майкельсона. Задача исследователей состоит в том, чтобы суметь зафиксировать эти изменения. А интерферометрия позволяет это сделать (см. схемы 1 и2 — «Эксперт»).

Конечно, в 1962 году никто не мог предположить, что в обозримом будущем что-то подобное будет сделано экспериментально. В 1962 году и лазеры-то только начинались, поэтому предположить, что для этих целей будет использовано мощное лазерное излучение, тогда было невозможно. Но за три десятилетия, к девяностым годам, лазерные и оптические технологии сильно продвинулись вперед, и в 1992 году это позволило американцам начать создание LIGO. LIGO — это, конечно, успех всех физиков, но прежде всего физиков-оптиков и лазерщиков.

Оптические технологии — это не только лазеры, но и различные оптические устройства, которых в LIGO очень много, это и оптические материалы с уникальными свойствами, и их обработка с высочайшей точностью. Например, такой важнейший параметр, как точность формы оптических зеркал, в LIGO находится в

Что такое LIGO

Вид на одну из обсерваторий LIGO zzzzzzzzzzzzzzzzzzz1podv1.jpg
Вид на одну из обсерваторий LIGO

Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) создана для обнаружения гравитационных волн космического происхождения, предсказанных Общей теорией относительности Эйнштейна. Обсерватория состоит из двух удаленных друг от друга на 3002 км лазерных интерферометров Майкельсона, расположенных на территории США (один в Ханфорде, штат Вашингтон, а другой в Ливингстоне, штат Луизиана). Эти интерферометры действуют как «антенны» для обнаружения гравитационных волн. От обычных интерферометров они отличаются гигантскими размерами и высочайшей чувствительностью.

Схема интерферометра LIGO zzzzzzzzzzzzzzzzzzz1s1.jpg
Схема интерферометра LIGO

В интерферометре Майкельсона (см. схемы 1 и2 — «Эксперт») луч лазера падает на полупрозрачное разделительное зеркало, расположенную под углом 45° к направлению распространения луча. На этом зеркале он разделяется на два луча, распространяющиеся по 4-х километровым туннелям с высоким вакуумом, к резонаторам, составленным из зеркал, соответственно, 1- 2 и 3-4. В резонаторах сигнал, отраженный от зеркал 2 и 4, соответственно, многократно проходит путь от 2 к 1 и от 4 к 3 зеркалам соответственно и тем самым усиливается. После выхода из резонатора 1-2 часть вышедшего луча проходит через разделительное зеркало, а после выхода из резонатора 3-4 часть вышедшего луча отражается от того же зеркала и оба распространяются в направлении детектора, фиксирующем их интерференцию. Перед лазером расположен Изолятор Фарадея, защищающий лазер от воздействия отраженного излучения. В обычном, не возмущенном состоянии интерферометра оба луча проходят одно и то же расстояние от лазера до детектора, так что они гасят друг друга, попадая на него.

Влияние гравитационной волны на плечи интерферометра zzzzzzzzzzzzzzzzzzz1s2.jpg
Влияние гравитационной волны на плечи интерферометра

Когда гравитационные волны проходят через интерферометр, они смещают зеркала, подвешенные на чрезвычайно чувствительных нитях из плавленого кварца (см. схему 4) относительно их номинального положения. При этом одно плечо интерферометра удлинится, а другое укоротится, сместив первый лазерный луч относительно второго по фазе (см. схему 2). Таким образом, интерференционная картина на детекторе изменится.

Сигнал от гравитационной волны zzzzzzzzzzzzzzzzzzz1s3.jpg
Сигнал от гравитационной волны

Приемники, используемые в LIGO, позволяют регистрировать сдвиг зеркал на тысячные доли размера атомного ядра. А два интерферометра в Луизиане и Ханфорде используются для того, чтобы исключить влияние на них случайных воздействий. Если в Луизиане и Ханфорде одновременно зарегистрированы одинаковые сигналы, то можно быть уверенным с большой вероятностью, что они являются результатом воздействия именно гравитационной волны (см. схему 3).

Подвеска зеркала интерферометра zzzzzzzzzzzzzzzzzzz1s4.jpg
Подвеска зеркала интерферометра

Общая теория относительности

Один из основных постулатов Специальной теории относительности (СТО), разработанной Эйнштейном в 1905 году, гласит, что ни энергия, ни сигнал не могут распространяться быстрее скорости света. В то же время в теории тяготения Ньютона подразумевается, что сила притяжения F между двумя телами массой М1 и М2 , определяемая по известной формуле F = GM1 x М2 /r2 , действует мгновенно. А такое утверждение противоречит СТО. Таким образом, Эйнштейн столкнулся с необходимостью согласовать теорию тяготения и теорию относительности. Общая теория относительности (ОТО), основы которой Эйнштейн заложил в 1911 году, это и есть фактически релятивистская теория тяготения. Кроме того, в нерелятивистской механике существует два понятия массы. Первая масса (из второго закона Ньютона) называется инерционной, она равна отношению негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению m = F/a. Вторая масса — гравитационная — определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения (формулу см. выше). Эти две массы измеряются в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть связанными. Однако экспериментально установлено их равенство, что требовало объяснения.

Эйнштейн объяснил этот факт тем, что силы тяготения и силы инерции эквивалентны, что хорошо известно пассажирам ракеты при старте. Им кажется, что сила тяжести внезапно увеличилась. Они чувствуют, что они сами и предметы вокруг резко «потяжелели». И ни один физический эксперимент внутри ракеты не сможет выяснить, то ли увеличилось земное притяжение, то ли ракета приобрела ускорение относительно Земли. Этот результат получил название принципа эквивалентности. С точки зрения классической физики любое тело, если оно ускоряется, находится под действием некоторой силы. В общей теории относительности именно ускорение является общим свойством единого четырехмерного пространствавремени, которое лежит в основе и тяготения тоже.

Из этих положений ОТО следовало, что в четырехмерном пространствевремени тела всегда следуют по геодезическим (то есть кратчайшим) линиям. В отсутствие материи эти прямые линии в четырехмерном пространствевремени соответствуют прямым линиям в трехмерном пространстве.
В присутствии материи четырехмерное пространство-время искажается, вызывая искривление траекторий тел в трехмерном пространстве (подобно тому как в старой ньютоновской теории это происходило под действием гравитационного притяжения). Таким образом, то, что в ньютоновской физике было результатом взаимодействия тел, в ОТО стало результатом взаимодействия тел и пространства-времени.

Когда перемещаются тела или действуют силы, они вызывают искривление пространства и времени, а структура пространства времени, в свою очередь, сказывается на движении тел и действии сил. Пространство и время не только влияют на все, что случается во Вселенной, но и сами от всего этого зависят.

Первыми предсказанными и проверенными экспериментальными следствиями общей теории относительности стали три классических эффекта: дополнительный сдвиг перигелия орбиты Меркурия по сравнению с предсказаниями механики Ньютона; отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца; гравитационное красное смещение, или замедление времени в гравитационном поле. Последний факт имеет важное прикладное значение: его приходится учитывать при проектировании глобальных систем позиционирования, таких как GPS и ГЛОНАСС.

Одним из предсказаний ОТО является наличие гравитационных волн, которые излучают любые движущиеся тела. Однако гравитационное излучение настолько слабо, что его экспериментальное обнаружение возможно только от очень мощных источников, какими, например, являются черные дыры, вращающиеся друг относительно друга.

Подвеска зеркала интерферометра
Сигнал от гравитационной волны
Влияние гравитационной волны на плечи интерферометра
Схема интерферометра LIGO

spam@petrov.vodka