Юрий Строфилов. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ ДЛЯ ЧАЙНИКОВ

Спросил у меня семилетний сын о том, что это там открыли ученые про гравитацию. К ответу на этот вопрос я готовился два дня. Старший все понял. Младшему полтора года, он во время разговора рычал, кивал головой и активно моргал. Было видно, что ему тоже понятно, но говорить он пока не может и уточняющих вопросов, в отличие от старшего, не задавал.

В двух словах я не обещаю, но постараемся обойтись без мудянки и формул.

В конце XIX в. физики были в очень хорошем расположении духа. Для всеобъемлющей картины мира не хватало решения трех маленьких неувязочек: отрицательный результат эксперимента Майкельсона - Морли, зависимость теплоемкости идеального газа от температуры и религиозные нестыковки связанные с законом всемирного тяготения.

Проблема с тяготением выглядела так. Представьте себе два корабля в огромном океане. Один очень большой, а второй чуть поменьше. Плывут они с одинаковой скоростью и одновременно выключают двигатели. Двигаясь по инерции, очень большой корабль проплывет очень далеко, а тот что чуть поменьше остановится чуть раньше. Инерция кораблей зависит от их массы. Чем тяжелее предмет, тем больше запасенная в нем энергия и тем больше инерция. Эта масса так и называется - инерционная масса.

Теперь эти же два корабля в этом же океане плавают недалеко друг от друга. Между ними возникает сила притяжения которая в соответствии с законом всемирного тяготения тем больше, чем тяжелее корабли. Эта масса так и называется - гравитационная масса.

Инерционная и гравитационные массы - это две разные массы, отражающие два разных свойства предметов. Одна про то, что сложно изменить скорость, а другая про то, что притягиваются. Как связаны эти две разные массы? Никак. Физики связи между этими характеристиками найти не смогли. Но все эксперименты показывают, что эти две разные массы совпадают до третьей, пятой, десятой цифры после запятой.

- Так не бывает, - сказал Эйнштейн.

- Совпадения, - сказали все остальные.

У Эйнштейна были свои счеты с совпадениями и вероятностью. Бог не играет в кости, - это его фраза, сказанная, правда, по другому поводу.

Ни у Эйнштейна, ни у других физиков ничего с объединением этих двух масс не получилось. Я всегда восхищался радикальным подходом Эйнштейна к математическим и физическим абстракциям. Он сказал:

Если гравитационная масса не вписывается в общую теорию, значит ее нет. И закона всемирного тяготения тоже нет.

А теперь смотрите. Батутная сетка. В углу лежит мяч, никуда не катится. И тут на середину батута залезает уборщица спорткомплекса баба Маша весом в 150 килограмм. Она продавливает сетку батута и мяч скатывается к ее ногам. Означает ли это, что уборщица притягивает мяч? Нет, ни мяч, ни баба Маша ничего не знают про существование друг друга, они взаимодействуют только с окружающим их пространством. Если теперь двумерную сетку заменить трехмерной и добавить еще одно измерение - время, то мы получим картинку, которую нарисовал Эйнштейн в своей голове.

Пойдем дальше. Представим себе, что уборщица хорошенько подпрыгнула на сетке. Мяч не просто скатится к ногам бабы Маши, а улетит в направлении, которое не сможет определить ни один физик мира. Это мы сгенерировали гравитационную волну.

В реальной физике все почти так, но. Гравитационные волны очень слабые. Даже самые мощные процессы во вселенной изменяют каждый метр пространства на величину с двадцатью тремя нулями после запятой. Гравитационные волны излучаются только телами, движущимися с ускорением. Ну и гравитационные волны излучаемые телами могут поглощаться друг другом.

Вот это все в математических терминах Эйнштейн изложил в двух статьях примерно по 10 листков каждая.

Из этих работ есть следствия. Представьте себе две массивные звезды вращающийся вокруг общего центра масс. Они массивны и они движутся с ускорением. Значит они будут излучать гравитационные волны, если Эйнштейн не ошибся. А если они будут излучать волны, значит они будут терять энергию, а значит рано или поздно они упадут друг на друга с выбросом гигантской энергии половина которой перейдет в гравитационную волну. Этот процесс самый мощный из всех, что можно наблюдать во вселенной. Огромные массы, огромные ускорения и волны не погасятся друг другом, посколько звезды сольются в единое целое. Событие это назвали гравитационный коллапс.

Осталось найти такие компактные двойные звезды. Эйнштейн не дожил до этого момента. В 1974 году был обнаружен пульсар, вращающийся вокруг нейтронной звезды. В строгом соответствии с теорией пульсар медленно падал на звезду поскольку терял энергию на излучение гравитационных волн. Косвенно теорию подтвердили, получили за это Нобелевскую премию, но нужно было пощупать эти волны, чтобы иметь прямое доказательство.

И его начали искать. Для успеха нужно было найти две звезды которые скоро упадут друг на друга, вернее упадут они много миллиардов лет назад, но волна должна была дойти до нас в разумное время. И нам нужно научиться измерять изменение расстояний в десять в минус 21 метра.

В 1992 году начали строить прибор для измерений.

Это туннель в четыре километра длинной с вакуумом внутри. В середине этого туннеля его пересекает второй такой же. Свет лазера доходит то пересечения тоннелей, попадает на полупрозрачное зеркало и делится на два луча, уходящих каждый в свой тоннель. В конце тоннелей свет отражается от зеркал и возвращается, снова проходя через полупрозрачное зеркало.

За зеркалом расположен чувствительный приемник. Расстояние между зеркалами подобраны такими, чтобы волны из каждого тоннеля гасили друг друга. На детекторе нет ни одной вспышки до тех пор, пока расстояния между зеркалами неизменно. Как только гравитационная волна изменит расстояние между любыми из зеркал на детекторе будет вспышка.

Это колоссальное сооружение находится в штате Луизиана и называется лазерный интерферометр. Второй такой же интерферометр находится на другом побережье США в штате Вашингтон, он нужен для определения направления с которого пришла волна.

В 2002 году вся эта система, заработала. Доступ к данным получили 900 ученых со всего мира. Проект этот называется LIGO и к 2015 году стоил 600 млн. долларов, полученных из американских, английских, немецких и австралийских фондов.

Но так просто ничего не получается. На детекторе появляются вспышки, связанные с сейсмической активностью, неравномерным нагревом, случайными колебаниями и резонансами. Чем чувствительнее прибор, тем больше шумов он генерирует. Так получаются терабайты данных, разобраться в которых - это отдельная задача.

Для решения этой задачи два бывших советских ученых из американского университета разработали программу поиска сигналов в потоке данных из LIGO, однако для обработки такого объема нужны колоссальные вычислительные мощности. Создание таких мощностей - это задача проекта Einstein@Home. На компьютерах добровольцев устанавливается программа, которая отдает его мощности в распоряжение проекта. Примерно 3 млн. компьютеров уже поучаствовало в вычислениях. Вся совокупность производит один квадриллион операций в секунду, это число с 15 нулями.

Обработанные добровольцами данные поступают в Ганновер на суперкомпьютер с почти семью тысячами ядер, его производительность 32 терафлопс, то есть 32 и 12 нулей операций в секунду. Итак все готово! Ждем.

Дождались в сентябре 2015 года. Итальянский научный сотрудник из ганноверского Института гравитационной физики обнаружил сигнал. Пришел он с детектора в Луизиане и через 7 миллисекунд из Вашингтона. Очень быстро весь проект LIGO включился в проверку данных.

Оказалось, что зарегистрирована гравитационная волна получившаяся в результате слияния двух черных дыр размером 29 и 36 солнечных на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от нас. Данные точно совпали с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна.

Какое снабжение, такое и скольжение,

- как говорят лыжники.