Гравитационным волнам больше всех обрадовались сейсмологи и снайперы
"МК" выяснил, кому послужит открытие века
Открытие века - гравитационные волны - могут изменить нашу жизнь. Сложно даже представить как. Почти так же невероятно сложно было бы немецкому физику Генриху Герцу, впервые зарегистрировавшему в конце XIX века электромагнитные волны, представить себе мобильный телефон, работающий на базе электромагнитного излучения. Но мы все же решили приоткрыть окно в будущее и - спустя месяц после официального объявления об открытии - вместе со специалистами из Российского квантового центра (РКЦ) поразмышлять о том, за что уже в ближайшие десятилетия мы сможем сказать спасибо первооткрывателям гравитационных волн.
Итак, детекторы Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в штатах Вашингтон и Луизиана уловили колебания пространства в результате события, произошедшего далеко во Вселенной 1,3 миллиарда (!) лет назад. Две столкнувшиеся черные дыры соединились в одну массой 62 Солнца, вызвав в пространстве колебания - гравитационные волны. Максимальная мощность излучения при этом оказалась в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.
Это очень впечатляет! Но человечеству всегда надо знать: а что ему от этого открытия перепадет? Сможем ли мы как-то использовать гравитацию в своих, земных целях?
Гравитон придуман, но пока не найден
- Пока все предположения не выходят за рамки фундаментальной науки, - говорит научный директор РКЦ и участник научной коллаборации LIGO в составе группы МГУ Михаил ГОРОДЕЦКИЙ, - но по предыдущему опыту, накопленному обществом за несколько веков, мы знаем, что любое фундаментальное направление может породить множество полезных вещей.
Помните, как это было два века назад, когда Максвелл сначала предсказал электромагнитные волны, а через 25 лет после этого Герц впервые их зафиксировал, поставив в одном углу комнаты передатчик, а в другом - приемник. Мог ли он предположить, что через сотню лет спаренные приемники-передатчики этих волн каждый второй житель Земли будет носить в собственном кармане? Сейчас ситуация похожая: гравитационные волны обнаружили, а во что это выльется - пока никто сказать не может. Сейчас мы можем рассуждать об их пользе только на уровне Вселенной. Гравитационные волны - это "уши", которыми мы можем слушать, что происходит в ее самых дальних уголках. Открытие это, безусловно, даст новый импульс для разработки теории квантовой гравитации.
- У квантовой теории и теории гравитации много противоречий - может, они вообще несовместимы?
- Скорее, у нас маловато данных о гравитации. В том, что она порождает гравитационные волны, мы экспериментально убедились. Но не видим, как гравитация связана с электричеством, электромагнитными полями, сильными и слабыми взаимодействиями между электронами и протонами. Все взаимодействия связаны квантовой теорией, кроме гравитации. И давно витает идея "поженить" гравитацию и квантовую теорию. Но для этого надо было бы теорию гравитации дополнить знаниями. Есть тут еще слабые места. Например, всем вышеуказанным видам энергий соответствуют квантовые частицы (для электромагнитной - это фотоны), а частицы, переносящей гравитацию (волны колебаний), пока нет. Ей придумали пока дежурное название - гравитон. Найдем мы его или не найдем - вопрос.
Другое слабое место - наше понятие о черных дырах. Что это такое? С точки зрения теории гравитации, которая гласит, что большие массы схлопываются в малые объекты, вроде бы все правильно. Но черная дыра - это ничто, это точка, в которой каким-то образом помещаются десятки (!) наших Солнц. Обыватель, который, сам того не ожидая, мыслит квантовыми понятиями о том, что вещество не может кануть в никуда, испытывает смятение, нонсенс.
По всей видимости, где-то возле черной дыры или внутри нее есть другая жизнь, которой мы еще не знаем. Американский теоретик Стивен Хокинг уже сделал первые предположения о том, что вещество все-таки может вырываться из черных дыр, но это пока только ничем не подтвержденная теория.
Гравитационные волны помогут предсказать землетрясение
Нила Армстронга по возвращении с Луны спросили: "Что вы нашли на Луне?" Он сказал: "Мы нашли на Луне много маленьких микросхем". То есть в процессе подготовки лунной миссии американские технологи сделали очень резкий рывок вперед по миниатюризации электронных устройств.
- Глобальные эксперименты всегда приводят к развитию технологий, - говорит Городецкий. - И мы можем уже сейчас сказать, что при разработке гравитационно-лазерных антенн LIGO было также совершено множество технологических прорывов. Например, разработаны новые, очень мощные (в 200 ватт) и стабильные лазеры, очень сильно продвинулась технология изготовления зеркал. Те 40-килограммовые зеркала, что использовались в эксперименте для отражения лазерных лучей, отличаются от тех, в которые вы смотритесь каждый день дома. Вместо одного слоя металла (серебра или алюминия) у них - несколько слоев диэлектрика (напыления молекул кристаллического вещества). Они имеют коэффициент отражения 99,999 - почти полностью отражают свет. Для того чтобы этого добиться, надо было это зеркало идеально заполировать, создав идеальную форму.
- Ну и где она может пригодиться?
- При создании оптических инструментов, высокоточных приборов - от снайперской винтовки до космической связи. Вот американцы, к примеру, уже "дотянулись" при помощи подобных лазерно-оптических приборов до Луны, а точнее, до орбитального аппарата, который вокруг Луны вращается.
- А у нас есть такая связь?
- У нас тоже есть технологии, но мы давно не летаем на Луну... Мало кто знает, но именно наш, советский ученый мог бы в свое время возглавить проект LIGO. Это Владимир Брагинский. Его приглашали в США, но он не захотел становиться диссидентом, а другого пути не было.
Но вернемся к технологиям. Для создания антенн детектора были разработаны новые методы сварки труб, по которым запускали лазерные лучи. Для того чтобы создать внутри этих труб идеальный вакуум, пришлось рядом построить электростанцию только для того, чтобы эти трубы прогревать. Теперь космический вакуум будет сохраняться там годами.
- А нельзя гравитационной антенной измерять что-то кроме гравитационных волн?
- Есть идея использовать детекторы LIGO для измерения сейсмосигнала. Они очень чувствительны и теоретически могут оказать помощь в деле предсказания землетрясений и исследования внутреннего строения Земли.
Когда антенна будет использоваться более активно, на ней также можно будет проверить квантовую теорию.
- Каким образом?
- Мы привыкли, что квантовая физика связана с чем-то более миниатюрным - атомами, электронами... Но, как ни странно, и 40-килограммовые зеркала ведут себя квантовым образом, когда мы невольно возмущаем их во время измерений очень малых смещений.
- "Побочные эффекты" от изучения гравитационных волн - это, конечно, интересно и полезно, но все-таки давайте заглянем в более отдаленное будущее.
- Кто знает, может, в будущем, если мы овладеем энергией гравитации, это даст нам некие перспективы для создания сверхсветовых кораблей. В специальной теории относительности "запрещено" двигаться быстрее скорости света, она предельна. Но, вероятно, существует возможность ее обойти. Если мы перед летящей ракетой научимся сжимать пространство за счет гравитации, как это происходит в черной дыре, а позади ракеты - расширять это пространство, то конечно, объекты Вселенной станут для нас ближе.
Спутниковые навигаторы заменит гравиметр
Напоследок в РКЦ мне рассказали про один интересный проект, связанный с гравитацией, но не с гравитационными волнами. Здесь совместно с Физическим институтом им. Лебедева РАН работают над созданием гравиметра - прибора, определяющего местоположение чего-либо или кого-либо не по спутниковым данным, а по земной гравитации, уcкорению G, которое, оказывается, в каждой точке земного шара имеет разное значение.
Это только на школьных уроках физики нам говорили, что ускорение G на Земле везде одинаково и равно 1 G. Это верно, но только когда мы говорим о целых значениях этого показателя.
К примеру, при 1G шарик, брошенный со 100-метровой высоты, будет падать на землю 4,5 секунды и достигнет скорости в 159 км/ч. Но при более тонких измерениях (к примеру, до 10 в минус 17 степени G) скорость приземления шарика будет отличаться в зависимости от места приземления. Влияют на это гравитационные аномалии, вызванные неоднородностью земной поверхности, ее плотности на разных участках.
- К примеру, в овраге масса и плотность Земли меньше - значит, и сила притяжения объекта будет меньше, - поясняет сотрудник РКЦ Евгений ПАРАМОНОВ. - И наоборот, гора, обладающая большей плотностью, придаст объекту дополнительное ускорение. Чтобы почувствовать мельчайшие изменения рельефа, нужен высокоточный прибор, над которым мы и работаем.
- На чем основан принцип его действия?
- На технологии ускорения холодных атомов. Когда мы охлаждаем их до микрокельвинов (примерно -273 градуса Цельсия), они начинают работать, с высокой точностью отмеряя разницу ускорения в любой точке Земли. Помните пример с шариком, брошенным на Землю? Так вот, в нашем случае для более точного измерения G мы "подбрасываем" и фиксируем скорость притяжения охлажденных атомов.
- Невольно напрашивается вопрос: зачем нам гравиметры, если есть уже GPS и ГЛОНАСС?
- Во-первых, гравиметры будут более точными - объекты они станут находить с точностью до 1 метра (у GPS и ГЛОНАСС точность определения местоположения сегодня составляет около 10 метров). Но даже если к моменту создания портативных гравиметров показатели их точности и точности других навигационных устройств сравняются - все равно преимущество будет за гравиметрами. Они окажутся более независимыми от всевозможных радиопомех и диверсий.
- На Западе тоже занимаются их разработкой?
- Да. В Англии и в Америке в такие стартапы вкладывают десятки миллионов долларов и евро. И гравиметры у них уже появились - правда, пока в лабораторном исполнении. Компактных приборов нет ни у кого.
- Нам до лабораторного варианта далеко?
- К сожалению, у нас этой довольно сложной технологии уделялось недостаточно внимания и финансирования, а потому мы, естественно, немного отстали. Но мы не опускаем рук и стараемся наверстать упущенное.
Наталья Веденеева
Открытие века - гравитационные волны - могут изменить нашу жизнь. Сложно даже представить как. Почти так же невероятно сложно было бы немецкому физику Генриху Герцу, впервые зарегистрировавшему в конце XIX века электромагнитные волны, представить себе мобильный телефон, работающий на базе электромагнитного излучения. Но мы все же решили приоткрыть окно в будущее и - спустя месяц после официального объявления об открытии - вместе со специалистами из Российского квантового центра (РКЦ) поразмышлять о том, за что уже в ближайшие десятилетия мы сможем сказать спасибо первооткрывателям гравитационных волн.
Итак, детекторы Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в штатах Вашингтон и Луизиана уловили колебания пространства в результате события, произошедшего далеко во Вселенной 1,3 миллиарда (!) лет назад. Две столкнувшиеся черные дыры соединились в одну массой 62 Солнца, вызвав в пространстве колебания - гравитационные волны. Максимальная мощность излучения при этом оказалась в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.
Это очень впечатляет! Но человечеству всегда надо знать: а что ему от этого открытия перепадет? Сможем ли мы как-то использовать гравитацию в своих, земных целях?
Гравитон придуман, но пока не найден
- Пока все предположения не выходят за рамки фундаментальной науки, - говорит научный директор РКЦ и участник научной коллаборации LIGO в составе группы МГУ Михаил ГОРОДЕЦКИЙ, - но по предыдущему опыту, накопленному обществом за несколько веков, мы знаем, что любое фундаментальное направление может породить множество полезных вещей.
Помните, как это было два века назад, когда Максвелл сначала предсказал электромагнитные волны, а через 25 лет после этого Герц впервые их зафиксировал, поставив в одном углу комнаты передатчик, а в другом - приемник. Мог ли он предположить, что через сотню лет спаренные приемники-передатчики этих волн каждый второй житель Земли будет носить в собственном кармане? Сейчас ситуация похожая: гравитационные волны обнаружили, а во что это выльется - пока никто сказать не может. Сейчас мы можем рассуждать об их пользе только на уровне Вселенной. Гравитационные волны - это "уши", которыми мы можем слушать, что происходит в ее самых дальних уголках. Открытие это, безусловно, даст новый импульс для разработки теории квантовой гравитации.
- У квантовой теории и теории гравитации много противоречий - может, они вообще несовместимы?
- Скорее, у нас маловато данных о гравитации. В том, что она порождает гравитационные волны, мы экспериментально убедились. Но не видим, как гравитация связана с электричеством, электромагнитными полями, сильными и слабыми взаимодействиями между электронами и протонами. Все взаимодействия связаны квантовой теорией, кроме гравитации. И давно витает идея "поженить" гравитацию и квантовую теорию. Но для этого надо было бы теорию гравитации дополнить знаниями. Есть тут еще слабые места. Например, всем вышеуказанным видам энергий соответствуют квантовые частицы (для электромагнитной - это фотоны), а частицы, переносящей гравитацию (волны колебаний), пока нет. Ей придумали пока дежурное название - гравитон. Найдем мы его или не найдем - вопрос.
Другое слабое место - наше понятие о черных дырах. Что это такое? С точки зрения теории гравитации, которая гласит, что большие массы схлопываются в малые объекты, вроде бы все правильно. Но черная дыра - это ничто, это точка, в которой каким-то образом помещаются десятки (!) наших Солнц. Обыватель, который, сам того не ожидая, мыслит квантовыми понятиями о том, что вещество не может кануть в никуда, испытывает смятение, нонсенс.
По всей видимости, где-то возле черной дыры или внутри нее есть другая жизнь, которой мы еще не знаем. Американский теоретик Стивен Хокинг уже сделал первые предположения о том, что вещество все-таки может вырываться из черных дыр, но это пока только ничем не подтвержденная теория.
Гравитационные волны помогут предсказать землетрясение
Нила Армстронга по возвращении с Луны спросили: "Что вы нашли на Луне?" Он сказал: "Мы нашли на Луне много маленьких микросхем". То есть в процессе подготовки лунной миссии американские технологи сделали очень резкий рывок вперед по миниатюризации электронных устройств.
- Глобальные эксперименты всегда приводят к развитию технологий, - говорит Городецкий. - И мы можем уже сейчас сказать, что при разработке гравитационно-лазерных антенн LIGO было также совершено множество технологических прорывов. Например, разработаны новые, очень мощные (в 200 ватт) и стабильные лазеры, очень сильно продвинулась технология изготовления зеркал. Те 40-килограммовые зеркала, что использовались в эксперименте для отражения лазерных лучей, отличаются от тех, в которые вы смотритесь каждый день дома. Вместо одного слоя металла (серебра или алюминия) у них - несколько слоев диэлектрика (напыления молекул кристаллического вещества). Они имеют коэффициент отражения 99,999 - почти полностью отражают свет. Для того чтобы этого добиться, надо было это зеркало идеально заполировать, создав идеальную форму.
- Ну и где она может пригодиться?
- При создании оптических инструментов, высокоточных приборов - от снайперской винтовки до космической связи. Вот американцы, к примеру, уже "дотянулись" при помощи подобных лазерно-оптических приборов до Луны, а точнее, до орбитального аппарата, который вокруг Луны вращается.
- А у нас есть такая связь?
- У нас тоже есть технологии, но мы давно не летаем на Луну... Мало кто знает, но именно наш, советский ученый мог бы в свое время возглавить проект LIGO. Это Владимир Брагинский. Его приглашали в США, но он не захотел становиться диссидентом, а другого пути не было.
Но вернемся к технологиям. Для создания антенн детектора были разработаны новые методы сварки труб, по которым запускали лазерные лучи. Для того чтобы создать внутри этих труб идеальный вакуум, пришлось рядом построить электростанцию только для того, чтобы эти трубы прогревать. Теперь космический вакуум будет сохраняться там годами.
- А нельзя гравитационной антенной измерять что-то кроме гравитационных волн?
- Есть идея использовать детекторы LIGO для измерения сейсмосигнала. Они очень чувствительны и теоретически могут оказать помощь в деле предсказания землетрясений и исследования внутреннего строения Земли.
Когда антенна будет использоваться более активно, на ней также можно будет проверить квантовую теорию.
- Каким образом?
- Мы привыкли, что квантовая физика связана с чем-то более миниатюрным - атомами, электронами... Но, как ни странно, и 40-килограммовые зеркала ведут себя квантовым образом, когда мы невольно возмущаем их во время измерений очень малых смещений.
- "Побочные эффекты" от изучения гравитационных волн - это, конечно, интересно и полезно, но все-таки давайте заглянем в более отдаленное будущее.
- Кто знает, может, в будущем, если мы овладеем энергией гравитации, это даст нам некие перспективы для создания сверхсветовых кораблей. В специальной теории относительности "запрещено" двигаться быстрее скорости света, она предельна. Но, вероятно, существует возможность ее обойти. Если мы перед летящей ракетой научимся сжимать пространство за счет гравитации, как это происходит в черной дыре, а позади ракеты - расширять это пространство, то конечно, объекты Вселенной станут для нас ближе.
Спутниковые навигаторы заменит гравиметр
Напоследок в РКЦ мне рассказали про один интересный проект, связанный с гравитацией, но не с гравитационными волнами. Здесь совместно с Физическим институтом им. Лебедева РАН работают над созданием гравиметра - прибора, определяющего местоположение чего-либо или кого-либо не по спутниковым данным, а по земной гравитации, уcкорению G, которое, оказывается, в каждой точке земного шара имеет разное значение.
Это только на школьных уроках физики нам говорили, что ускорение G на Земле везде одинаково и равно 1 G. Это верно, но только когда мы говорим о целых значениях этого показателя.
К примеру, при 1G шарик, брошенный со 100-метровой высоты, будет падать на землю 4,5 секунды и достигнет скорости в 159 км/ч. Но при более тонких измерениях (к примеру, до 10 в минус 17 степени G) скорость приземления шарика будет отличаться в зависимости от места приземления. Влияют на это гравитационные аномалии, вызванные неоднородностью земной поверхности, ее плотности на разных участках.
- К примеру, в овраге масса и плотность Земли меньше - значит, и сила притяжения объекта будет меньше, - поясняет сотрудник РКЦ Евгений ПАРАМОНОВ. - И наоборот, гора, обладающая большей плотностью, придаст объекту дополнительное ускорение. Чтобы почувствовать мельчайшие изменения рельефа, нужен высокоточный прибор, над которым мы и работаем.
- На чем основан принцип его действия?
- На технологии ускорения холодных атомов. Когда мы охлаждаем их до микрокельвинов (примерно -273 градуса Цельсия), они начинают работать, с высокой точностью отмеряя разницу ускорения в любой точке Земли. Помните пример с шариком, брошенным на Землю? Так вот, в нашем случае для более точного измерения G мы "подбрасываем" и фиксируем скорость притяжения охлажденных атомов.
- Невольно напрашивается вопрос: зачем нам гравиметры, если есть уже GPS и ГЛОНАСС?
- Во-первых, гравиметры будут более точными - объекты они станут находить с точностью до 1 метра (у GPS и ГЛОНАСС точность определения местоположения сегодня составляет около 10 метров). Но даже если к моменту создания портативных гравиметров показатели их точности и точности других навигационных устройств сравняются - все равно преимущество будет за гравиметрами. Они окажутся более независимыми от всевозможных радиопомех и диверсий.
- На Западе тоже занимаются их разработкой?
- Да. В Англии и в Америке в такие стартапы вкладывают десятки миллионов долларов и евро. И гравиметры у них уже появились - правда, пока в лабораторном исполнении. Компактных приборов нет ни у кого.
- Нам до лабораторного варианта далеко?
- К сожалению, у нас этой довольно сложной технологии уделялось недостаточно внимания и финансирования, а потому мы, естественно, немного отстали. Но мы не опускаем рук и стараемся наверстать упущенное.
Наталья Веденеева