«2000 №5»

«НАУКА И ЖИЗНЬ»

Ежемесячный научно-популярный журнал

№ 5 май 2000

…Лишь с годами возможно будет постигнуть величие прожитых дней, смертельность отгремевших боев… Если доныне празднуются Полтава и Поле Куликово, насколько же веков хватит нынешней нашей радости?.. Немыслимо в одно поколение собрать урожай такой победы.

Да и отдаленные правнуки наши, отойдя на века, еще не увидят наш полный исполинский рост. Слава будет жить, пока живет человеческое слово. Если всю историю земли написать в одной странице — и там будут помянуты наши великие дела. Потому что мы защитили не только наши жизни и достояние, но и само звание человека, которое хотел отнять у нас фашизм.

Леонид Леонов. 11 мая 1945 года.

Для нашей родины всегда будет святым день 9 мая, и всегда люди мысленно будут возвращаться к маю 1945 года. В те весенние дни был закончен великий путь, отмеченный многими жертвами. И наш человеческий долг: поздравляя друг друга с праздником, всегда помнить о тех, кого нет с нами, кто пал на войне.

Празднуя победу, мы всегда будем вспоминать, какие качества нашего народа смогли одолеть врага. Терпение. Мужество. Величайшая стойкость. Любовь к отечеству. Пусть эти проверенные огнем войны качества всегда нам сопутствуют. И всегда победа будет за нами.

Маршал Г. Жуков. 1970 год.

О войне и о войнах надо говорить всю правду, пусть иногда и горькую. Мы достойно вели себя на войне и достойны не только благодарности, но и самой высокой, самой святой правды, мы и весь наш многострадальный народ, на века, на все будущие времена прославивший себя и трудом, и ратным делом.

Виктор Астафьев. 1985 год.

Снимки фронтовых фотокорреспондентов (стр. 2–5) Э. Евзерихина, А. Морозова, И. Озерского, М. Трахмана, Е. Халдея, Ю. Чернышева, В. Юдина из книги «Антология советской фотографии. 1941–1945». — М.: «Планета», 1987.

НАУКА. ВЕСТИ С ПЕРЕДНЕГО КРАЯ

В поисках гравитационных волн: проект ЛИГО

В списке наиболее важных и интересных проблем современной физики и астрофизики, составленном академиком В. Л. Гинзбургом (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 1999 г.), под номером 22 фигурирует технически сложная задача — прием гравитационных волн, приходящих из космоса. Построенная для этой цели установка ЛИГО положила начало новому научному направлению — гравитационно-волновой астрономии.

Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ.

Идея существования гравитационных волн восходит к работам Эйнштейна, точнее, к созданной им к 1916 году общей теории относительности (ОТО) — теории пространства и времени, объединившей эти два понятия. Общая теория относительности, по существу, — это теория гравитации, устанавливающая связь тяготения с геометрией пространства — времени. Геометрические свойства четырехмерного пространства — времени, как и обычного трехмерного пространства, целиком определяются находящейся в пространстве материей, которая создает гравитационное поле. Влияние гравитации на геометрию проявляется в том, что она искривляет пространство— время. Мы не можем представить себе это наглядно (как в случае двухмерного «пространства», скажем, листа бумаги, который легко представить себе и плоским и изогнутым), но можем описать математически.

Эйнштейн показал, что в поле тяготения пространство — время обладает кривизной. Слабой кривизне соответствует обычная ньютоновская гравитация, управляющая Солнечной системой. Но в мощных гравитационных полях, создаваемых массивными космическими объектами, пространство — время искривлено очень сильно. А если такой объект совершает колебательное или вращательное движение, кривизна меняется. Распространение этих изменений (возмущений) в пространстве рождает «волны кривизны», которые и получили название гравитационных волн (см. «Наука и жизнь» № 11, 1969 г.; № 1, 1972 г.; № 8, 1989 г.). И подобно тому, как электромагнитная волна с квантово-механической точки зрения представляет собой поток фотонов, квантование волны гравитационной приводит к понятию гравитона — частицы с нулевой массой покоя.

Излучение колеблющимися массами гравитационных волн очень напоминает излучение электромагнитных волн колеблющимися электрическими зарядами. Согласно ОТО, гравитационные волны имеют такую же скорость, как электромагнитные волны, и тоже переносят энергию. Они вызывают движение (смещение) тел, встречающихся на их пути, но ожидаемый эффект настолько мал, что до сих пор не обнаружен. Еще в 1916 году Эйнштейн вычислил мощность гравитационного излучения вращающегося стержня длиной 1 метр. Если даже раскрутить его до такой скорости, что центробежная сила достигнет предела прочности материала на разрыв, мощность излучения окажется равной всего-навсего 10-37 Вт, что зарегистрировать невозможно.

Это делает совершенно нереальным обнаружение гравитационных волн от каких-либо «земных» источников — нужны гигантские массы и столь огромные мощности для приведения их в движение, что эта задача технически невыполнима.

Ситуация становится более благоприятной, если в качестве источников гравитационных волн использовать космические объекты, в которых необходимые требования — колоссальные массы и огромные скорости вращения — обеспечены, так сказать, самой природой. Из них наиболее подходят двойные звезды, вращающиеся вокруг общего центра масс, и пульсары — вращающиеся нейтронные звезды. Энергия гравитационного излучения этих источников огромна. Но и здесь, к сожалению, нет оснований для слишком оптимистических надежд, ибо эти источники находятся на громадных расстояниях от Земли (десятки световых лет), и к нам приходит ничтожная часть их гравитационного излучения.

Например, мощность гравитационного излучения двойной звезды йота Волопаса, находящейся на расстоянии 40 световых лет от Земли и состоящей из двух звезд массами 1,35 и 0,68 массы Солнца, согласно расчетам, составляет 2∙1023 Вт. Земли же достигает поток излучения плотностью 10-17 Вт/см2, а от всех двойных звезд нашей Галактики приходит не намного больше — 10-14 Вт/см2 гравитационной энергии. Частота этого излучения лежит в диапазоне нескольких десятков герц.

Другой пример — излучение знаменитого пульсара PSR 0531 в Крабовидной туманности. Если даже предположить, что он излучает гравитационные волны мощностью порядка 1031 Вт (оценка, как полагают, явно завышенная), то и тогда плотность потока на Земле из-за гигантского расстояния до источника (5500 световых лет) составила бы всего 3∙10-14 Вт/см2. Чувствительность же гравитационных детекторов до сих пор ограничивается величиной 10-1—10-3 Вт/см2, т. е. по крайней мере на 11 порядков меньше, чем нужно.

Однако кроме периодического гравитационного излучения от двойных звезд и пульсаров могут наблюдаться очень мощные всплески (импульсы) излучения при различных космических катаклизмах, вроде вспышек сверхновых, приводящих к образованию нейтронных звезд или черных дыр, или при их столкновениях друг с другом. Поток гравитационного излучения, возникающего при вспышке сверхновой, примерно в 1015 раз больше, чем поток от ближайшей двойной звезды. Появляется реальная возможность зарегистрировать такое излучение, но трудность состоит в том, что заранее неизвестно, когда и откуда придет всплеск. А в нашей Галактике сверхновые вспыхивают далеко не часто: в среднем один раз за 30 лет.

Поэтому следует рассчитывать на прием излучения и от других галактик: сфера радиусом около 10 миллионов световых лет содержит примерно 300 галактик, и можно ожидать, что импульсы гравитационного излучения с плотностью потока 10-3 Вт/см2 будут приходить несколько раз в год. Но и эта величина находится на пределе чувствительности, и детектировать такие всплески гравитационных волн чрезвычайно трудно.

Первый эксперимент такого рода был осуществлен Д. Вебером (США) в 1969 году. Его гравитационный детектор состоял из двух разнесенных на 1000 километров алюминиевых цилиндров длиной по 1,5 м, диаметром 60 см и весом полторы тонны, подвешенных на тонких нитях в вакуумной камере. Пьезоэлектрические датчики, приклеенные к цилиндрам, преобразовывали их колебания, вызванные гравитационной волной, в электрические сигналы. Они свидетельствовали о регистрации волн довольно большой мощности. Однако результаты экспериментов Вебера вскоре были поставлены под сомнение, так как приводили к некоторым абсурдным заключениям, не согласующимся с известными фактами, например к непомерно большим потерям массы в ядре Галактики. Впоследствии эти сомнения перешли в уверенность: было доказано, что гравитационное излучение мощностью, отвечающей наблюдениям Вебера, из космоса не приходит. После этого было предложено довольно много методов обнаружения гравитационных волн и схем гравитационных детекторов: с использованием ротационных антенн — вращающихся «гантелей» (В. Б. Брагинский и др.), спутников, лазеров, сверхпроводящих магнитометров и лазерных интерферометров.

В интерферометре складываются две световые волны, идущие по разным путям. Если эти волны когерентны (имеют неизменную разность фаз и длину волны), при их сложении образуется устойчивая картина в виде системы полос. Когда длина пути, по которому проходит одна из волн, меняется, полосы смещаются на величину, пропорциональную этому изменению. Поэтому при регистрации гравитационных волн интерферометрическим методом одна световая волна отражается от зеркал, приклеенных к массивным цилиндрам, вместо датчиков, использованных Вебером. Вибрация цилиндров под воздействием волны вызывает колебания интерференционной картины, а современные электронные методы позволяют обнаружить смещения в сотые доли микрона. Но до сих пор обнаружить гравитационные волны еще никому не удалось.