Вселенная на ладони

Если вы окажетесь слишком близко к ним, то навсегда будете захвачены гравитацией черных дыр. Никакой ракетной силы не хватит для того, чтобы освободить вас из их смертоносных объятий. Точка невозврата из черных дыр известна как горизонт событий. Проходя через нее, вы не заметите ничего особенного, но при этом раз и навсегда определите свою судьбу. Предположим, что вы двигаетесь вперед ногами. Черная дыра будет притягивать вас сильнее за ноги, чем за голову. В конце концов, разница начнет превышать силу атомных связей, удерживающих вас в целостности, и вас разорвет на части. Физики называют этот процесс спагеттификацией.

Где закончат свое существование ваши спагеттифицированные части? Это один из самых интригующих вопросов современной физики. Если следовать общей теории относительности Эйнштейна буквально, то она утверждает, что ядра звезд распадаются на бесконечно малые, бесконечно тяжелые точки, называемые сингулярностью. Пространство и время здесь в буквальном смысле этого слова останавливаются. Считается, что попадающий в нее материал добавляется к сингулярности.

Когда наиболее массивные звезды умирают, они искривляют пространственно-временной континуум до такой степени, что образуются черные дыры – объекты, от которых ничто не может убежать

Однако похоже, что на этом история не заканчивается, поскольку здесь не учтены факторы, действующие в пределах законов квантовой физики, описывающие поведение Вселенной в наиболее малых шкалах.

Гравитационные волны

День 14 сентября 2015 года станет знаковым в истории науки. В этот день мы открыли беспрецедентное окно во Вселенную. Но история началась в галактике, находящейся на очень, очень большом отдалении от нас. Около 1,3 миллиарда лет назад две черные дыры – каждая по массе в тридцать раз больше нашего Солнца – столкнулись друг с другом, предварительно описав готовокружительную сходящуюся смертельную спираль.

Это событие было настолько катастрофическим, что гигантские волны, прокатившись по всей Вселенной, прорвали саму структуру пространствавремени. Промчавшись со скоростью света, они в итоге достигли Земли в сентябре 2015 года. К счастью, от нас требовалось всего-то включить прибор, способный уловить их. Новые случаи фиксации гравитационных волн, возникших в результате слияния черных дыр, последовали в декабре 2015-го, январе и августе 2017 года. Струйка превратится в поток и подобное станет происходить все чаще.

Первоначальное открытие знаменовало столетие с момента предсказания этого события. В 1915 году Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в рамках своей общей теории относительности. Но столь длительное время, потребовавшееся для подтверждения данной гипотезы и фактического обнаружения волн, объясняется тем, что, добравшись до Земли, эти волны становятся очень слабыми и трудноуловимыми. Они затухают подобно ряби на поверхности пруда, в который упал камень, а 1,3 миллиарда световых лет – действительно долгий путь для любого путешественника.

Гравитационные волны зафиксированы лазерным интерферометром гравитационно-волновой обсерватории в штате Вашингтон и в Луизиане. Каждый прибор состоит из двух идентичных 4-километровых полых труб, расположенных под прямым углом друг к другу. Лазерные лучи направлены вдоль по трубе и в конце упираются в зеркала. Как правило, отраженные лазерные лучи возвращаются к своему началу точно в то же самое время.

Однако если гравитационная волна приходит в момент прохождения лазерного пучка света, пространство в одной из труб немного расширяется и сжимается (гравитационные волны являются дестабилизирующим фактором для структуры пространства-времени как таковой). Отсюда следует, что пучок света от одного лазера обгоняет другой.

Лазерный интерферометр настолько чувствительный, что может уловить изменения в расстоянии до зеркал эквивалентного 1/10 000 ширины протона (положительно заряженная частица в центре атома). Это соответствует миллионной части от миллионной части метра. Это то же самое, как если бы расстояние в 40 триллионов километров до Проксимы Центавра (ближайшей к нам после Солнца звезде) изменилось на величину, равную диаметру человеческого волоса.

В октябре 2017 года три ученых, сделавших это открытие, были удостоены Нобелевской премии в области физики. Совершенно очевидно, что открытия носили революционный характер, так как были зафиксированы явления во Вселенной, которые излучают только гравитационные волны. А мы впервые смогли удостовериться в их существовании.

Замедление времени

Со времен эддингтоновского солнечного затмения 1919 года нам известно, что в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна массивные объекты искривляют структуру пространства вокруг них. Гравитационные волны еще убедительнее подтверждают эту идею.