Американские и европейские ученые впервые в истории человечества зафиксировали гравитационные волны, предсказанные Альбертом Эйнштейном в Общей теории относительности почти 100 лет назад. Доказательство существования гравитационного излучения является важной вехой в исследовании фундаментальных взаимодействий.
Что случилось?
Совместный проект американского LIGO и французско-итальянского Virgo накануне дал пресс-конференцию, в которой подтвердил существование гравитационных волн. Одновременно была опубликована научная статья в журнале Physical Review Letters.
Что такое гравитационные волны?
Существуют четыре фундаментальных взаимодействия, которые объясняют природу вещей в нашей Вселенной.
Электромагнитное взаимодействие связывает между собой любые частицы, обладающие зарядом. То есть, оно удерживает атом вместе с электроном, и таким образом формирует любую материю.
Сильное взаимодействие отвечает за связь между кварками. Эти частицы формируют протоны и нейтроны. Это взаимодействие проявляется в гораздо меньших масштабах, нежели электромагнитное.
Слабое взаимодействие отличается очень низкой интенсивностью. Оно проявляется в масштабах, гораздо меньших размера атомного ядра. Отвечает это взаимодействие за бета-распад, при котором излучаются нейтрино (чрезвычайно маленькие частицы без заряда, не оказывающие практически никакого влияния на сторонние объекты).
Гравитационное взаимодействие — самое слабое из этих четырех. Теоретически оно отвечает за взаимодействие всех частиц и тел во Вселенной между собой. Практически оно утверждает, что масса — это такая же характеристика частицы, как и заряд или спин (момент импульса частицы, который характеризует движение квантов).
Проблема с гравитационным взаимодействием заключается в том, что оно отличается невероятно слабой интенсивностью. Альберт Эйнштейн в начале прошлого века предсказал существование гравитационного излучения и гравитационных волн, однако их невозможно было зафиксировать. До сегодняшнего дня.
Как же эти волны зафиксировали?
Установка Advanced LIGO — это Г-образная труба, напичканная сверхчувствительными детекторами. Длина каждого из плеч этой установки составляет 4 км.
Согласно теории Эйнштейна, тела большой массы способны оказывать влияние на пространство-время. То есть, гравитационное излучение достаточно тяжелых объектов должно было изменить длину одного из перпендикулярно расположенных друг к другу плеч.
Установке LIGO это искажение удалось зафиксировать. И речь идет не об изменении длины на сантиметр или миллиметр, а на размер атомного ядра.
Но как именно это искажение нашли? В теории, при изменении длины одного из плеч установки, пространство внутри этого плеча тоже должно измениться. На практике же измеряется не сама длина, а время, которое нужно пучку света на преодоление расстояния. Пространство и время способны искажаться, однако скорость света остается неизменной.
Источником возмущения пространства в данном эксперименте стало слияние двух черных дыр массой 29 и 36 масс Солнца. Их столкновение произошло примерно 1.3 миллиарда лет назад, при этом выделилось огромное количество энергии. Гравитационные волны именно этого события и были зарегистрированы в LIGO.
Вот так звучит слияние двух черных дыр
Что это открытие значит?
Пару лет назад ЦЕРН обнаружил бозон Хиггса, который объяснил природу массы. Открытие гравитационных волн идет дальше в этом направлении — теперь мы знаем не только что такое масса, но и как оно взаимодействует с пространством.
Дело в том, что гравитация и масса до сих пор остаются одними из самых неизведанных природных феноменов. Масса всех планет, звезд и галактик составляет лишь 5 процентов от общей массы Вселенной. 95 остальных процентов — это неисследованные темная материя и темная энергия. Единственное, что нам известно об этих гигантских массивах — это то, что они существуют.
Так что открытие гравитационных волн имеет вес открытия радиоволн. Обнаружение гравитационного излучения позволит не только расширить горизонты исследования Вселенной. В будущем (возможно, очень далеком), если мы сможем подчинить себе гравитацию, то это наконец позволит человечеству выбраться далеко за пределы Солнечной системы.
