Космические рубежи теории относительности

Теоретически возможность существования гравитационных волн была предсказана много лет назад. Однако экспериментальное их обнаружение в лабораторных экспериментах оказалось невероятно трудной задачей. По сравнению с другими видами излучения гравитационные волны исключительно слабы. Так, электромагнитное излучение (скажем, радиоволны) испускается при колебаниях электрических зарядов в триллион триллионов (10³⁶) раз сильнее, чем при тех же самых колебаниях тех же зарядов испускаются гравитационные волны. Дело здесь прежде всего в том, что электромагнитные силы несравненно мощнее гравитационных. Поэтому электромагнитное излучение легко регистрировать с помощью множества устройств, включая человеческий глаз, фотопленку или радиоприемник. Изобретение же прибора, который реагировал бы на гравитационное излучение, оказалось для физиков-экспериментаторов задачей огромной трудности.

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.)