Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям - Страница 63

Реакция человеческого глаза или фотопленки на электромагнитное излучение определённой длины волны обусловлена тем, что переменные электрическое и магнитное поля этого излучения приводят в движение заряженные частицы. Когда в глаз человека попадает свет, в клетках сетчатки глаза электроны атомов начинают колебаться и возникающий в результате этого слабый электрический ток в конечном счете через множество промежуточных ступеней регистрируется мозгом. Что касается фотопленки, то при движении электронов в атомах покрывающей её эмульсии происходят химические реакции. И вообще электромагнитное излучение приводит в движение заряженные частицы, так что его можно обнаружить именно по движению этих частиц.

РИС. 15.1. Гравитационные волны от двойной звезды. Как показано иа этой схеме, система двух звёзд, обращающихся вокруг друг друга, испускает гравитационные волны. Если звёзды находятся очень близко друг к другу и движутся по своим орбитам очень быстро, то система может испускать значительную мощность в виде гравитационных волн.

Гравитационные волны также приводят в движение частицы. Однако движение, вызванное гравитационными волнами, имеет совершенно иной характер, чем вызванное электромагнитными волнами. Чтобы сравнить эффекты этих двух типов волн, представим себе кольцо, образованное электронами, свободно взвешенными в пространстве. Если через это кольцо проходит электромагнитная волна, то все электроны в унисон начнут колебаться взад и вперёд. Если же через кольцо проходит гравитационная волна, то частицы приходят в движение относительно друг друга. Как видно из рис. 15.2, при этом искажается форма кольца - оно сплющивается или вытягивается.

РИС. 15.2. Сравнение электромагнитных и гравитационных волн. Когда электромагнитная волна проходит через кольцо, образованное электронами, свободно парящими в пространстве, все эти электроны в унисон колеблются взад и вперёд. Но когда через кольцо частиц проходит гравитационная волна, искажается форма этого кольца, ибо частицы приходят в движение относительно друг друга.

РИС. 15.3. Влияние гравитационных волн на объект. Когда гравитационные волны проходят через какой-нибудь объект, они искажают его форму (очень немного).

Такое деформирующее воздействие гравитационных волн подсказывает метод, с помощью которого оказалось бы возможно их зарегистрировать. Представим себе крупное тело - скажем металлический цилиндр, изображенный на рис. 15.3. Когда гравитационного излучения нет, цилиндр обладает определённой исходной формой. Но когда через него проходит гравитационная волна, он деформируется. Разумеется, под действием гравитационной волны форма цилиндра изменится совсем немного. Но если удастся заметить такое небольшое изменение, то это значит, что физики научились конструировать гравитационную антенну.

Первая попытка построить подобную гравитационную антенну была предпринята Джозефом Вебером из Мэрилендского университета (США) (рис. 15.4). Ещё в 1950-е годы Вебер решил попробовать поработать с большим алюминиевым цилиндром. Понимая, что речь идет о необходимости регистрировать невероятно малые изменения формы цилиндра, исследователь наклеил на поверхность цилиндра пьезоэлектрические датчики деформации. Пьезоэлектрические кристаллы обладают чрезвычайно высокой чувствительностью и дают заметный электрический ток даже при воздействии ничтожных давлений или натяжений. Полученные электрические сигналы усиливались и регистрировались электронной аппаратурой в лаборатории Вебера.

РИС. 15.4. Гравитационная антенна. Вы видите здесь Вебера, наклонившеюся над одной из своих антенн. Антенна представляет собой большой алюминиевый цилиндр, колебания которого регистрируются с помощью очень чувствительных кварцевых кристаллов, наклеенных на его поверхность. (С разрешения Джозефа Вебера.)

Идея, положенная в основу эксперимента, очень проста. Всякий раз, когда через веберовский цилиндр проходит гравитационная волна, цилиндр начинает колебаться. Колебания стержня передаются пьезоэлектрическим датчикам, электрический ток от которых идет в усилитель и к регистрирующему устройству. Однако практическая реализация эксперимента чрезвычайно сложна. Если на улице бушует гроза или просто кто-то идет по лестнице в помещение лаборатории, то возникают механические вибрации, вполне достаточные, чтобы на неё прореагировали пьезоэлектрические датчики. Таким образом, перед Вебером встала задача отделить настоящие гравитационные волны от «шумов», обусловленных многочисленными посторонними причинами.

В 1960-х годах Вебер установил две гравитационные антенны - одну в Мэрилендском университете близ Вашингтона, а другую - в Аргоннской национальной лаборатории под Чикаго. Каждый цилиндр был длиной около полутора метров и диаметром 60 см, а весил почти полторы тонны. Как и ожидалось, пьезоэлектрические кристаллы на каждом из стержней всё время подавали сигналы, ибо стержни отвечали колебаниями на всевозможные случайные возмущения. Однако Вебер понимал, что очень маловероятно такое стечение событий, когда два случайных воздействия проявятся одновременно и в Вашингтоне, и в Чикаго. Поэтому всё его внимание было сосредоточено на совпадениях. Когда на Землю приходит гравитационная волна из космоса, обе антенны Вебера должны прийти в колебательное движение в основном одного и того же типа и в одно и то же время. Отбрасывая случайные колебания, которые не возникают одновременно в Мэриленде и в Аргонне, он тем самым смог бы исключить «шумы» (рис. 15.5).

Регистрация гравитационных волн. Гравитационные антенны, расположенные в Мэрилендском университете и Аргоннской национальной лаборатории, постоянно отмечают сигналы, отвечающие случайным воздействиям. Но сильный сигнал, одновременно принятый обеими антеннами, может быть вызван приходом гравитационной волны.

После многих лет упорного труда Веберу наконец удалось зарегистрировать одновременные колебания его обеих антенн. К 1968 г. установка была настолько усовершенствована, что совпадения сигналов в антеннах в Мэриленде и Чикаго наблюдались почти ежедневно. Вебер привел доводы, свидетельствующие в пользу того, что вероятность чисто случайной природы этих совпадений крайне мала, и пришел поэтому к заключению, что действительно смог обнаружить гравитационные волны. К тому же использованные в его экспериментах антенны обладали некоторой направленностью: они лучше должны были воспринимать гравитационные волны, приходящие с определённых направлений на небе. Обращая внимание на время суток, в которое была зарегистрирована большая часть совпадений, Вебер предположил, что зарегистрированное им гравитационное излучение могло бы приходить из центра нашей Галактики.

Тот факт, что Веберу действительно удалось обнаружить гравитационные волны, энергично оспаривается многими физиками. Для сомнений существуют две веские причины. Прежде всего в последние годы уже несколько групп физиков соорудили гравитационные антенны, но им практически ничего не удалось зарегистрировать. Значит, либо Вебер ошибается и его совпадения случайны или вызваны каким-то посторонним влиянием, либо те физики, которые построили новые антенны, ещё не смогли так усовершенствовать свою аппаратуру; чтобы регистрировать те волны, о наблюдении которых сообщал Вебер.

Вторая причина выявляется из некоторых любопытных расчётов. Мы уже отмечали, что гравитационные волны очень слабы и по сравнению с другими формами излучения они переносят очень мало энергии. Именно поэтому их так трудно обнаружить. Однако если Вебер на самом деле зарегистрировал приход гравитационных волн от центра нашей Галактики, то можно оценить энергию, которая затрачивалась бы там, в галактическом центре, для излучения этих волн. Значительные по амплитуде гравитационные волны могли бы быть вызваны, например, колебаниями нейтронных звёзд или чёрных дыр, падением больших масс вещества на чёрную дыру, столкновениями двух чёрных дыр и вспышками сверхновых. Чтобы эти процессы (или им подобные) давали мощность, необходимую для возбуждения наблюдаемых Вебером колебаний в его антеннах, в центре нашей Галактики должны происходить чудовищные по своим масштабам катастрофы. К тому же, поскольку Вебер утверждает, что он регистрирует ежедневно по нескольку совпадений, эти чудовищные катастрофы должны там происходить каждые несколько часов. Астрофизики считают практически невозможным вообразить себе физические условия, при которых могли бы столь часто происходить явления, вызывающие такое мощное гравитационное излучение.