Astronomai, tyrinėjantys gravitacines bangas, atsidūrė aukso kasykloje. Pojūtis: neutroninių žvaigždžių gravitacinės bangos, pirmą kartą aptiktos Visatoje Dvyniai

Gravitacinės bangos, kurias Einšteinas teoriškai numatė dar 1917 m., vis dar laukia savo atradėjo.

Aleksejus Levinas

1969 m. pabaigoje Merilendo universiteto fizikos profesorius Josephas Weberis padarė sensacingą pareiškimą. Jis paskelbė atradęs gravitacines bangas, ateinančias į Žemę iš kosmoso gelmių. Iki tol joks mokslininkas tokių tvirtinimų nepateikė, o pati galimybė aptikti tokias bangas buvo laikoma toli gražu neaiškia. Tačiau Weberis buvo žinomas kaip savo srities autoritetas, todėl kolegos į jo žinią žiūrėjo labai rimtai.

Tačiau netrukus prasidėjo nusivylimas. Neva Weberio užfiksuotos bangų amplitudės buvo milijonus kartų didesnės nei teorinė vertė. Weberis teigė, kad šios bangos kilo iš mūsų Galaktikos centro, uždengto dulkių debesų, apie kuriuos tada buvo mažai žinoma. Astrofizikai pasiūlė, kad ten slepiasi milžiniška juodoji skylė, kuri kasmet suryja tūkstančius žvaigždžių ir išmeta dalį sugertos energijos gravitacinės spinduliuotės pavidalu, o astronomai ėmė bergždžiai ieškoti ryškesnių šio kosminio kanibalizmo pėdsakų. dabar buvo įrodyta, kad ten tikrai yra juodoji skylė, bet ji elgiasi gana padoriai). Fizikai iš JAV, SSRS, Prancūzijos, Vokietijos, Anglijos ir Italijos pradėjo eksperimentuoti su to paties tipo detektoriais ir nieko nepasiekė.

Mokslininkai vis dar nežino, kam priskirti keistus Weberio instrumentų rodmenis. Tačiau jo pastangos nenuėjo veltui, nors gravitacinių bangų vis dar nepavyko aptikti. Jau pastatytos arba statomos kelios jų paieškai skirtos instaliacijos, o po dešimties metų tokie detektoriai bus paleisti į kosmosą. Visai įmanoma, kad netolimoje ateityje gravitacinė spinduliuotė taps tokia pat stebima fizine realybe, kaip ir elektromagnetiniai virpesiai. Deja, Josephas Weberis to nebežinos – jis mirė 2000 metų rugsėjį.

Kas yra gravitacinės bangos

Dažnai sakoma, kad gravitacinės bangos yra erdvėje sklindančio gravitacinio lauko trikdžiai. Šis apibrėžimas yra teisingas, bet neišsamus. Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją gravitacija atsiranda dėl erdvės ir laiko kontinuumo kreivumo. Gravitacijos bangos – tai erdvės ir laiko metrikos svyravimai, kurie pasireiškia kaip svyravimai gravitaciniame lauke, todėl dažnai perkeltine prasme vadinamos erdvės-laiko bangavimu. Gravitacijos bangas teoriškai numatė Albertas Einšteinas 1917 m. Niekas neabejoja jų egzistavimu, tačiau gravitacinės bangos vis dar laukia savo atradėjo.

Gravitacinių bangų šaltinis yra bet koks materialių kūnų judėjimas, sukeliantis nevienodą gravitacijos jėgos pasikeitimą supančioje erdvėje. Kūnas, judantis pastoviu greičiu, nieko nespinduliuoja, nes jo gravitacinio lauko prigimtis nesikeičia. Norint skleisti gravitacines bangas, reikalingi pagreičiai, bet ne bet koks pagreitis. Cilindras, besisukantis aplink savo simetrijos ašį, patiria pagreitį, tačiau jo gravitacinis laukas išlieka vienodas ir gravitacinės bangos nekyla. Bet jei suksite šį cilindrą aplink kitą ašį, laukas pradės svyruoti ir gravitacinės bangos bėgs iš cilindro visomis kryptimis.

Ši išvada galioja bet kuriam kūnui (ar kūnų sistemai), kuris yra asimetriškas sukimosi ašies atžvilgiu (tokiais atvejais sakoma, kad kūnas turi kvadrupolio momentą). Masių sistema, kurios kvadrupolio momentas keičiasi laikui bėgant, visada skleidžia gravitacines bangas.

Erdvės gravitacijos švyturiai

Gravitacinė spinduliuotė iš antžeminių šaltinių yra labai silpna. 10 000 tonų sverianti plieninė kolona, ​​pakabinta nuo centro horizontalioje plokštumoje ir sukama aplink vertikalią ašį iki 600 aps./min., skleidžia maždaug 10–24 W galią. Todėl vienintelė viltis aptikti gravitacines bangas yra rasti kosminį gravitacinės spinduliuotės šaltinį.

Šiuo atžvilgiu artimos dvigubos žvaigždės yra labai perspektyvios. Priežastis paprasta: tokios sistemos gravitacinės spinduliuotės galia auga atvirkščiai proporcingai penktajai jos skersmens galiai. Dar geriau, jei žvaigždžių trajektorijos yra labai pailgos, nes tai padidina kvadrupolio momento kitimo greitį. Gana gerai, jei dvinarė sistema susideda iš neutroninių žvaigždžių arba juodųjų skylių. Tokios sistemos panašios į gravitacinius švyturius erdvėje – jų spinduliavimas yra periodiškas.

Kosmose taip pat yra „impulsinių“ šaltinių, kurie generuoja trumpus, bet itin galingus gravitacinius pliūpsnius. Taip nutinka, kai prieš supernovos sprogimą žlunga didžiulė žvaigždė. Tačiau žvaigždės deformacija turi būti asimetriška, kitaip spinduliuotė neįvyks. Žlugimo metu gravitacinės bangos gali nunešti iki 10% visos žvaigždės energijos! Gravitacinės spinduliuotės galia šiuo atveju yra apie 10 50 W. Dar daugiau energijos išsiskiria neutroninių žvaigždžių susiliejimo metu, čia didžiausia galia siekia 10 52 W. Puikus radiacijos šaltinis yra juodųjų skylių susidūrimas: jų masė gali milijardus kartų viršyti neutroninių žvaigždžių masę.

Kitas gravitacinių bangų šaltinis yra kosmologinė infliacija. Iškart po Didžiojo sprogimo Visata pradėjo plėstis itin greitai ir per mažiau nei 10 -34 sekundes jos skersmuo nuo 10 -33 cm padidėjo iki makroskopinio dydžio. Šis procesas neišmatuojamai sustiprino prieš prasidedant egzistavusias gravitacines bangas, o jų palikuonys išlieka iki šiol.

Netiesioginiai patvirtinimai

Pirmieji gravitacinių bangų egzistavimo įrodymai gauti iš amerikiečių radijo astronomo Josepho Tayloro ir jo mokinio Russello Hulse'o darbų. 1974 metais jie atrado porą neutroninių žvaigždžių, besisukančių viena aplink kitą (radijo spinduliuotę skleidžiantis pulsaras su tyliu palydovu). Pulsaras sukosi aplink savo ašį stabiliu kampiniu greičiu (kas ne visada būna) ir todėl tarnavo kaip itin tikslus laikrodis. Ši savybė leido išmatuoti abiejų žvaigždžių mases ir nustatyti jų orbitinio judėjimo pobūdį. Paaiškėjo, kad šios dvejetainės sistemos orbitinis periodas (apie 3 val. 45 min.) kasmet sumažėja 70 μs. Ši reikšmė gerai sutampa su bendrosios reliatyvumo teorijos lygčių sprendiniais, kurie apibūdina žvaigždžių poros energijos praradimą dėl gravitacinės spinduliuotės (tačiau šių žvaigždžių susidūrimas įvyks negreit, po 300 mln. metų). 1993 metais Taylor ir Hulse už šį atradimą buvo apdovanoti Nobelio premija.

Gravitacijos bangų antenos

Kaip eksperimentiškai aptikti gravitacines bangas? Weberis kaip detektorius naudojo metro ilgio kieto aliuminio cilindrus su pjezoelektriniais jutikliais galuose. Jie buvo maksimaliai atsargiai izoliuoti nuo išorinių mechaninių poveikių vakuuminėje kameroje. Weberis įrengė du iš šių cilindrų bunkeryje po Merilendo universiteto golfo aikštynu, o vieną - Argonne nacionalinėje laboratorijoje.

Eksperimento idėja paprasta. Erdvė suspaudžiama ir ištempiama veikiama gravitacinių bangų. Dėl šios priežasties cilindras vibruoja išilgine kryptimi, veikdamas kaip gravitacinių bangų antena, o pjezoelektriniai kristalai paverčia vibracijas elektriniais signalais. Bet koks kosminių gravitacinių bangų praėjimas beveik vienu metu veikia detektorius, atskirtus tūkstančio kilometrų atstumu, o tai leidžia filtruoti gravitacinius impulsus iš įvairių tipų triukšmo.

Weberio jutikliai sugebėjo aptikti cilindro galų poslinkius, lygius tik 10 -15 jo ilgio – šiuo atveju 10 -13 cm. Būtent tokius svyravimus Weberis sugebėjo aptikti, apie kuriuos pirmą kartą pranešė 1959 m. „Physical Review Letters“ puslapiuose. Visi bandymai pakartoti šiuos rezultatus buvo bergždi. Weberio duomenys taip pat prieštarauja teorijai, kuri praktiškai neleidžia tikėtis santykinių poslinkių, viršijančių 10–18 (o mažesnės nei 10–20 vertės yra daug labiau tikėtinos). Gali būti, kad Weberis padarė klaidą statistiškai apdorodamas rezultatus. Pirmasis bandymas eksperimentiškai aptikti gravitacinę spinduliuotę baigėsi nesėkmingai.

Vėliau gravitacinių bangų antenos buvo žymiai patobulintos. 1967 metais amerikiečių fizikas Billas Fairbankas pasiūlė juos aušinti skystame heliu. Tai ne tik leido atsikratyti didžiosios dalies šiluminio triukšmo, bet ir atvėrė galimybę naudoti SQUID (superlaidžius kvantinius interferometrus), tiksliausius itin jautrius magnetometrus. Šios idėjos įgyvendinimas pasirodė esąs kupinas daug techninių sunkumų, o pats Fairbankas to nesulaukė. Iki devintojo dešimtmečio pradžios Stanfordo universiteto fizikai pastatė 10–18 jautrumo instaliaciją, tačiau bangų neaptikta. Dabar daugelyje šalių yra ultrakriogeninių gravitacinių bangų vibracijos detektorių, veikiančių tik dešimtosiomis ir šimtosiomis laipsnio dalimis virš absoliutaus nulio. Tai, pavyzdžiui, AURIGA instaliacija Paduvoje. Jai skirta antena – trijų metrų cilindras, pagamintas iš aliuminio-magnio lydinio, kurio skersmuo 60 cm, svoris – 2,3 tonos. Pakabinamas vakuuminėje kameroje, atšaldytoje iki 0,1 K. Jo smūgiai (dažniu 2,3 ​​tonos). apie 1000 Hz) perduodami į 1 kg sveriantį pagalbinį rezonatorių, kuris vibruoja tokiu pat dažniu, bet daug didesne amplitude. Šios vibracijos fiksuojamos matavimo įranga ir analizuojamos kompiuteriu. AURIGA komplekso jautrumas yra apie 10 -20 -10 -21.

Interferometrai

Kitas gravitacinių bangų aptikimo metodas yra pagrįstas masyvių rezonatorių atsisakymu šviesos spindulių naudai. Pirmą kartą jį 1962 metais pasiūlė sovietų fizikai Michailas Herzenšteinas ir Vladislavas Pustovoitas, o po dvejų metų – Weberis. Aštuntojo dešimtmečio pradžioje Robertas Forwardas, Hughes Aircraft Corporation tyrimų laboratorijos darbuotojas (buvęs Weberio magistrantūros studentas, o vėliau labai garsus mokslinės fantastikos rašytojas), sukonstravo pirmąjį tokį gana padoraus jautrumo detektorių. Tuo pat metu Masačusetso technologijos instituto (MIT) profesorius Raineris Weissas atliko labai nuodugnią teorinę gravitacinių bangų fiksavimo galimybių optiniais metodais analizę.

Šie metodai apima prietaiso, kuriuo prieš 125 metus fizikas Albertas Michelsonas įrodė, kad šviesos greitis visomis kryptimis yra visiškai vienodas, analogų. Šioje instaliacijoje Michelson interferometras šviesos spindulys atsitrenkia į permatomą plokštę ir yra padalintas į du tarpusavyje statmenus pluoštus, kurie atsispindi nuo veidrodžių, esančių tokiu pat atstumu nuo plokštės. Tada spinduliai vėl susilieja ir patenka į ekraną, kur atsiranda trukdžių raštas (šviesios ir tamsios juostelės ir linijos). Jei šviesos greitis priklauso nuo jos krypties, tai pasukus visą instaliaciją, šis paveikslėlis turėtų pasikeisti, o jei ne – išlikti toks pat kaip ir anksčiau.

Gravitacinių bangų trukdžių detektorius veikia panašiai. Praeinanti banga deformuoja erdvę ir keičia kiekvienos interferometro rankos ilgį (kelias, kuriuo šviesa keliauja iš skirstytuvo į veidrodį), ištempdama vieną ranką, o kitą suspausdama. Trukdžių modelis pasikeičia ir tai gali būti užregistruota. Bet tai nėra lengva: jei numatomas santykinis interferometro svirties ilgio pokytis yra 10–20, tada su prietaiso stalviršio dydžiu (kaip Michelsono) tai sukelia svyravimus, kurių amplitudė yra 10 - 18 cm Palyginimui: matomos šviesos bangos 10 trilijonų. kartų ilgiau! Galite padidinti pečių ilgį iki kelių kilometrų, tačiau problemos vis tiek išliks. Lazerio šviesos šaltinis turi būti galingas ir stabilaus dažnio, veidrodžiai turi būti idealiai plokšti ir puikiai atspindėti, vakuumas vamzdeliuose, kuriais sklinda šviesa, turi būti kuo gilesnis, o visos sistemos mechaninis stabilizavimas tikrai tobula. Trumpai tariant, gravitacinių bangų trukdžių detektorius yra brangus ir didelis prietaisas.

Šiandien didžiausias tokio pobūdžio įrenginys yra Amerikos kompleksas LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Jį sudaro dvi observatorijos, viena iš kurių yra JAV Ramiojo vandenyno pakrantėje, o kita – prie Meksikos įlankos. Matavimai atliekami naudojant tris interferometrus (du Vašingtono valstijoje, vieną Luizianoje) su keturių kilometrų ilgio rankomis. Įrenginyje sumontuoti veidrodiniai šviesos akumuliatoriai, kurie padidina jos jautrumą. „Nuo 2005 m. lapkričio mėn. visi trys mūsų interferometrai veikė normaliai“, – „Popular Mechanics“ sakė LIGO komplekso atstovas Peteris Saulsonas, Sirakūzų universiteto fizikos profesorius. „Nuolat keičiamės duomenimis su kitomis observatorijomis, bandančiomis aptikti dešimčių ir šimtų hercų dažnio gravitacines bangas, kilusias per galingiausius supernovų sprogimus bei neutroninių žvaigždžių ir juodųjų skylių susiliejimą. Šiuo metu veikia vokiškas interferometras GEO 600 (rankos ilgis – 600 m), esantis 25 km nuo Hanoverio. Šiuo metu atnaujinamas 300 metrų japoniškas TAMA instrumentas. Trijų kilometrų Virgo detektorius netoli Pizos prisijungs prie pastangų 2007 m. pradžioje ir, esant mažesniems nei 50 Hz dažniams, jis galės pranokti LIGO. Įrenginiai su ultrakriogeniniais rezonatoriais veikia vis efektyviau, nors jų jautrumas vis dar yra šiek tiek mažesnis nei mūsų.

1. Tuščioje erdvėje jie sklinda šviesos greičiu. Be to, šis greitis beveik visada išsaugomas susidūrus su materialiais objektais, todėl gravitacinės bangos nelūžinėja. Itin supertanki medžiaga gali sumažinti gravitacinių bangų greitį, tačiau kitais atvejais šis poveikis yra nereikšmingas. Gravitacinių bangų amplitudės nyksta tolstant nuo šaltinio, bet nenukrenta iki nulio: atsiradus gravitacinei bangai, tam tikra prasme ji pasmerkta amžinam gyvenimui. Visų pirma, Visata turi būti persmelkta reliktų bangų, paveldėtų iš infliacijos fazės. Jie užkoduoja informaciją apie „embrioninės“ Visatos struktūrą, kurią vis dėlto reikia iššifruoti. 2. Gravitacijos bangos yra skersinės. Tokia banga iškreipia erdvės struktūrą plokštumoje, statmenoje jos sklidimo vektoriui. Kietas kūnas, pagautas gravitacinės bangos priekio srityje, patirs deformacijas būtent šioje plokštumoje (kurios priklauso nuo bangos pobūdžio). 3. Gravitacinės bangos neša energiją, kurią pasiima iš jas skleidžiančios medžiagos. Todėl laikui bėgant dvinarės sistemos žvaigždės priartėja ir jų apsisukimo aplink bendrą masės centrą laikotarpis mažėja.

Perspektyvos

Kokia gravitacinių bangų aptikimo metodų laukia artimiausia ateitis? Profesorius Raineris Weissas apie tai „Popular Mechanics“ sakė: „Po kelerių metų LIGO komplekso observatorijose bus sumontuoti galingesni lazeriai ir pažangesni detektoriai, dėl kurių jautrumas padidės 15 kartų. Dabar jis yra 10 -21 (apie 100 Hz dažniais), o po modernizavimo viršys 10 -22. Atnaujintas kompleksas Advanced LIGO 15 kartų padidins įsiskverbimo į kosmosą gylį. Šiame projekte aktyviai dalyvauja Maskvos valstybinio universiteto profesorius Vladimiras Braginskis, vienas iš gravitacinių bangų tyrimo pradininkų.

Ateinančio dešimtmečio viduryje planuojama paleisti 5 milijonų kilometrų ilgio kosminį interferometrą LISA (Laser Interferometer Space Antenna), tai bendras NASA ir Europos kosmoso agentūros projektas. Šios observatorijos jautrumas bus šimtus kartų didesnis nei antžeminių prietaisų galimybės. Jis visų pirma skirtas žemo dažnio (10 -4 -10 -1 Hz) gravitacinių bangų paieškai, kurių negalima aptikti Žemės paviršiuje dėl atmosferinių ir seisminių trukdžių. Tokias bangas skleidžia dvigubų žvaigždžių sistemos – gana tipiški Kosmoso gyventojai. LISA taip pat galės aptikti gravitacines bangas, susidarančias, kai įprastas žvaigždes sugeria juodosios skylės. Tačiau norint aptikti reliktines gravitacines bangas, pernešančias informaciją apie materijos būseną pirmosiomis akimirkomis po Didžiojo sprogimo, greičiausiai reikės pažangesnių kosminių instrumentų. Apie tokią instaliaciją „Big Bang Observer“ dabar diskutuojama, tačiau vargu ar ji bus sukurta ir paleista anksčiau nei po 30–40 metų“.

LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) fizikai pirmą kartą atrado gravitacines bangas – erdvėlaikio trikdžius, kuriuos prieš šimtą metų numatė bendrosios reliatyvumo teorijos kūrėjas Albertas Einšteinas. Apie atidarymą tiesioginės transliacijos metu, kurią organizavo Lenta.ru ir Maskvos valstybinis universitetas (MSU), pavadintas M.V. Lomonosovas, Fizikos fakulteto mokslininkai, tarptautinio LIGO bendradarbiavimo dalyviai. Lenta.ru kalbėjosi su vienu iš jų, rusų fiziku Sergejumi Vjačaninu.

Kas yra gravitacinės bangos?

Pagal Niutono visuotinės gravitacijos dėsnį du kūnai vienas kitą traukia jėga, atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui. Ši teorija aprašo, pavyzdžiui, Žemės ir Mėnulio sukimąsi plokščioje erdvėje ir visuotiniame laike. Einšteinas, sukūręs specialiąją reliatyvumo teoriją, suprato, kad laikas ir erdvė yra viena substancija, ir pasiūlė bendrąją reliatyvumo teoriją – gravitacijos teoriją, paremtą tuo, kad gravitacija pasireiškia kaip materijos sukuriamas erdvės-laiko kreivumas.

Fizinių ir matematikos mokslų daktaras Sergejus Vjačaninas nuo 2012 m. vadovauja Maskvos valstybinio universiteto Fizikos fakulteto Virpesių fizikos katedrai. Jo moksliniai interesai yra susiję su kvantinių neperturbacinių matavimų, lazerinių gravitacinių bangų antenų, sklaidos mechanizmų, pagrindinio triukšmo ir netiesinių optinių efektų tyrimams. Mokslininkas bendradarbiavo su Kalifornijos technologijos institutu JAV ir Maxo Plancko draugija Vokietijoje.

Galite įsivaizduoti elastingą apskritimą. Jei į jį messite lengvą rutulį, jis riedės tiesia linija. Jei į apskritimo centrą įdėsite sunkų obuolį, trajektorija pasilenks. Iš bendrosios reliatyvumo teorijos lygčių Einšteinas iš karto sužinojo, kad galimos gravitacinės bangos. Tačiau tuo metu (XX a. pradžioje) poveikis buvo laikomas itin silpnu. Galima sakyti, kad gravitacinės bangos yra erdvėlaikio bangos. Blogas dalykas yra tai, kad tai labai silpna sąveika.

Jei imtume panašias (elektromagnetines) bangas, tai buvo Hertzo eksperimentas, kuris viename kambario kampe pastatė emiterį, o kitame – imtuvą. Tai neveikia su gravitacinėmis bangomis. Per silpna sąveika. Galime pasikliauti tik astrofizinėmis katastrofomis.

Kaip veikia gravitacinė antena?

Yra Fabry-Perot interferometras, dvi masės, kurias skiria keturi kilometrai. Atstumas tarp masių yra kontroliuojamas. Jei banga kyla iš viršaus, atstumas šiek tiek pasikeičia.

Ar gravitacinis trikdymas iš esmės yra metrikos iškraipymas?

Galima taip pasakyti. Matematika tai apibūdina kaip nedidelį erdvės kreivumą. Herzenšteinas ir Pustovoitas pasiūlė naudoti lazerį gravitacinėms bangoms aptikti 1962 m. Tai buvo toks sovietinis straipsnis, fantazija... Puiku, bet vis tiek fantazijos polėkis. Amerikiečiai sugalvojo ir 1990-aisiais nusprendė (Kip Thorne, Ronald Drever ir Rainer Weiss) pagaminti lazerinę gravitacinę anteną. Be to, reikalingos dvi antenos, nes jei yra įvykių, būtina naudoti sutapimo schemą. Ir tada viskas prasidėjo. Tai ilga istorija. Su Caltech bendradarbiaujame nuo 1992 m., o 1998 m. perėjome prie oficialios sutartinės bazės.

Ar nemanote, kad gravitacinių bangų tikrovė nekelia abejonių?

Apskritai mokslo bendruomenė buvo įsitikinusi, kad jie egzistuoja, ir buvo laiko klausimas, kaip juos atrasti. Hulse'as ir Tayloras buvo apdovanoti Nobelio premija už tikrąjį gravitacinių bangų atradimą. Ką jie padare? Yra dvigubos žvaigždės – pulsarai. Kadangi jie sukasi, jie skleidžia gravitacines bangas. Mes negalime jų stebėti. Bet jei jie skleidžia gravitacines bangas, jie išskiria energiją. Tai reiškia, kad jų sukimasis lėtėja, tarsi dėl trinties. Žvaigždės artėja viena prie kitos ir matomas dažnio pokytis. Jie žiūrėjo ir pamatė (1974 m. apytiksliai „Tapes.ru“). Tai netiesioginis gravitacinių bangų egzistavimo įrodymas.

Dabar – tiesiogiai?

Dabar – tiesioginis. Atvyko signalas, kuris buvo užregistruotas dviejuose detektoriuose.

Ar patikimumas didelis?

Užtenka atidaryti.

Koks Rusijos mokslininkų indėlis į šį eksperimentą?

Raktas. Pradiniame LIGO (ankstyvoji antenos versija - apytiksliai „Tapes.ru“) buvo naudojamos dešimties kilogramų masės, jos kabojo ant plieninių siūlų. Mūsų mokslininkas Braginskis jau išreiškė idėją naudoti kvarcinius siūlus. Buvo paskelbtas dokumentas, kuris įrodė, kad kvarco gijos kelia daug mažiau triukšmo. O dabar masė (pažangiame LIGO, moderni instaliacija - apytiksliai „Tapes.ru“) pakabinkite ant kvarcinių siūlų.

Antrasis indėlis yra eksperimentinis ir susijęs su mokesčiais. Mases, atskirtas keturiais kilometrais, reikia kažkaip sureguliuoti naudojant elektrostatinius aktyvatorius. Ši sistema yra geresnė nei anksčiau naudota magnetinė, tačiau ji jaučia krūvį. Visų pirma, kas sekundę per žmogaus delną praeina daugybė dalelių - miuonų, kurios gali palikti krūvį. Dabar jie kovoja su šia problema. Mūsų grupė (Valerijus Mitrofanovas ir Leonidas Prochorovas) dalyvauja eksperimentiškai ir tapo žymiai labiau patyrusi.

2000-ųjų pradžioje kilo idėja naudoti safyro siūlus pažangiame LIGO, nes formaliai safyras turi aukštesnį kokybės faktorių. Kodėl tai svarbu? Kuo didesnis kokybės koeficientas, tuo mažiau triukšmo. Tai yra bendra taisyklė. Mūsų grupė apskaičiavo vadinamąjį termoelastinį triukšmą ir parodė, kad vis tiek geriau naudoti kvarcą, o ne safyrą.

Ir toliau. Gravitacinės antenos jautrumas yra artimas kvantinei ribai. Yra vadinamoji standartinė kvantinė riba: jei matuojate koordinatę, tada pagal Heizenbergo neapibrėžtumo principą iškart ją sutrikdote. Jei nuolat matuojate koordinatę, tai visą laiką ją trikdote. Labai tiksliai matuoti koordinates nėra gerai: atsiras didelis atvirkštinio svyravimo efektas. Tai 1968 metais parodė Braginskis. Apskaičiuota LIGO. Paaiškėjo, kad pradinio LIGO jautrumas yra maždaug dešimt kartų didesnis nei standartinė kvantinė riba.

Dabar tikimasi, kad pažangus LIGO pasieks standartinę kvantinę ribą. Gal ir nusileis. Tai iš tikrųjų yra svajonė. Ar galite tai įsivaizduoti? Turėsite kvantinį makroskopinį prietaisą: dvi sunkias mases keturių kilometrų atstumu.

Gravitacinės bangos buvo aptiktos 2015 m. rugsėjo 14 d. 05:51 ryto dienos šviesos laiku (13:51 Maskvos laiku) LIGO lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorijos, esančios Livingston (Luiziana) ir Hanford (Vašingtono valstija), detektoriuose. ) JAV. LIGO detektoriai aptiko santykinius svyravimus nuo dešimties iki minus 19 metrų (tai apytiksliai lygu atomo skersmens ir obuolio skersmens santykiui) bandomųjų masių porų, atskirtų keturiais kilometrais. Sutrikimus sukelia juodųjų skylių pora (29 ir 36 kartus sunkesnė už Saulę) per paskutines sekundės dalis, kol jos susilieja į masyvesnį besisukantį gravitacinį objektą (62 kartus sunkesnį už Saulę). Per sekundės dalį trys Saulės masės virto gravitacinėmis bangomis, kurių maksimali spinduliavimo galia buvo apie 50 kartų didesnė nei visos matomos Visatos. Juodosios skylės susijungė prieš 1,3 milijardo metų (tiek laiko prireikė, kol gravitacijos trikdžiai pasiekė Žemę). Analizuodami signalų atvykimo momentus (Livingstono detektorius užfiksavo įvykį septyniomis milisekundėmis anksčiau nei detektorius Hanforde), mokslininkai padarė prielaidą, kad signalo šaltinis yra pietiniame pusrutulyje. Mokslininkai pateikė savo rezultatus publikuoti žurnale „Physical Review Letters“.

Iš pirmo žvilgsnio tai nelabai suderinama.

Štai kas yra paradoksalu. Tai yra, tai pasirodo fantastiška. Atrodo, kad tai kvepia šarlatanizmu, bet iš tikrųjų taip nėra, viskas sąžininga. Bet kol kas tai yra svajonės. Standartinė kvantinė riba nepasiekta. Ten dar reikia dirbti ir dirbti. Bet jau aišku, kad netoli.

Ar yra vilties, kad taip nutiks?

Taip. Reikia įveikti standartinę kvantinę ribą, o mūsų grupė dalyvavo kuriant metodus, kaip tai padaryti. Tai vadinamieji kvantiniai neperturbuojantys matavimai, kokios konkrečios matavimo schemos reikia - to ar ano... Juk studijuojant teoriškai skaičiavimai nieko nekainuoja, o eksperimentuoti brangu. LIGO pasiekė dešimties iki minus 19 metrų tikslumą.

Prisiminkime vaiko pavyzdį. Jei sumažinsime Žemę iki oranžinio dydžio, o tada sumažinsime ją tiek pat, gautume atomo dydį. Taigi, jei sumažinsime atomą tiek pat, tada gausime dešimt metrų iki minus 19 laipsnių. Tai beprotiški dalykai. Tai yra civilizacijos pasiekimas.

Tai labai svarbu, taip. Taigi, ką gravitacinių bangų atradimas reiškia mokslui? Manoma, kad tai gali pakeisti astronomijos stebėjimo metodus.

Ką mes turime? Astronomija įprastame diapazone. Radijo teleskopai, infraraudonųjų spindulių teleskopai, rentgeno observatorijos.

Ar viskas yra elektromagnetiniuose diapazonuose?

Taip. Be to, yra neutrinų observatorijos. Vyksta kosminių dalelių registracija. Tai dar vienas informacijos kanalas. Jei gravitacinė antena gamina astrofizinę informaciją, mokslininkai vienu metu turės kelis stebėjimo kanalus, kuriais galės patikrinti teoriją. Buvo pasiūlyta daug kosmologinių teorijų, kurios konkuruoja viena su kita. Bus galima ką nors išravėti. Pavyzdžiui, kai Didžiajame hadronų greitintuve buvo aptiktas Higso bozonas, kelios teorijos iškart nukrito.

Tai yra, tai prisidės prie veikiančių kosmologinių modelių atrankos. Kitas klausimas. Ar įmanoma naudoti gravitacinę anteną, kad būtų galima tiksliai išmatuoti pagreitintą Visatos plėtimąsi?

Kol kas jautrumas labai mažas.

O kaip bus ateityje?

Ateityje jis taip pat gali būti naudojamas reliktiniam gravitaciniam fonui matuoti. Bet bet kuris eksperimentuotojas jums pasakys: „Ai, taip! Tai yra, iki to dar toli. Duok Dieve, kad užregistruotume astrofizinę katastrofą.

Juodosios skylės susidūrimas...

Taip. Juk tai nelaimė. Neduok Dieve, kad ten atsidurtum. Mes neegzistuotume. O štai toks fonas... Kol kas... „maitina jaunųjų viltis, džiugina vyresniuosius“.

Ar gravitacinių bangų atradimas galėtų suteikti daugiau įrodymų apie juodųjų skylių egzistavimą? Juk vis dar yra netikinčių, kad jie egzistuoja.

Taip. Kaip jie dirba LIGO? Signalas įrašomas, siekiant paaiškinti, kurie mokslininkai kuria modelius ir palygina juos su stebėjimo duomenimis. Neutroninių žvaigždžių susidūrimas, neutroninė žvaigždė patenka į juodąją skylę, supernovos sprogimas, juodoji skylė susilieja su juodąja... Keisime parametrus, pavyzdžiui, masės santykį, pradinį momentą... Kas turėtų mes matome? Vyksta įrašymas, o signalo momentu vertinamas šablonų veikimas. Jei modelis, skirtas dviejų juodųjų skylių susidūrimui, atitiko signalą, tai yra įrodymas. Bet ne absoliutus.

Ar nėra geresnio paaiškinimo? Ar gravitacinių bangų atradimas paprasčiausiai paaiškinamas juodųjų skylių susidūrimu?

Šiuo metu – taip. Mokslo bendruomenė dabar mano, kad tai buvo juodųjų skylių susijungimas. Tačiau kolektyvinė bendruomenė yra daugelio nuomonė, sutarimas. Žinoma, jei atsiras kokių nors naujų faktorių, jo galima atsisakyti.

Kada bus galima aptikti gravitacines bangas iš ne tokių masyvių objektų? Ar tai nereiškia, kad reikia statyti naujas ir jautresnes observatorijas?

Yra naujos kartos programa LIGO. Tai jau antrasis. Bus ir trečias. Ten yra daug variantų. Galite padidinti atstumą, padidinti galią ir pakabą. Dabar visa tai aptarinėjama. Protų šturmo lygiu. Jei gravitacinio signalo stebėjimas pasitvirtins, bus lengviau gauti pinigų observatorijai tobulinti.

Ar vyksta gravitacinių observatorijų statybos bumas?

Nežinau. Tai brangu (LIGO kainavo apie 370 mln. apytiksliai „Tapes.ru“). Juk amerikiečiai pasiūlė Australijai pastatyti anteną Pietų pusrutulyje ir sutiko parūpinti visą tam reikalingą įrangą. Australija atsisakė. Per brangus žaislas. Observatorijos išlaikymas atimtų visą šalies mokslo biudžetą.

Ar Rusija finansiškai dalyvauja LIGO?

Bendradarbiaujame su amerikiečiais. Kas bus toliau, neaišku. Kol kas turime gerus santykius su mokslininkais, bet viską valdo politikai... Todėl reikia žiūrėti. Jie mus vertina. Siekiame tikrai neprilygstamų rezultatų. Bet ne jie sprendžia, draugauti su Rusija ar ne.

Dėja taip.

Toks gyvenimas, palaukim.

LIGO observatoriją finansuoja JAV Nacionalinis mokslo fondas. Tyrimai LIGO atliekami bendradarbiaujant daugiau nei tūkstančiui mokslininkų iš JAV ir 14 kitų šalių, įskaitant Rusiją, atstovaujamiems dviejų grupių iš Maskvos valstybinio universiteto ir Rusijos taikomosios fizikos instituto. Mokslų akademija (Nižnij Novgorodas).

Ar Rusijoje planuojama statyti gravitacinę observatoriją?

Dar neplanuota. Devintajame dešimtmetyje Maskvos valstybinio universiteto Sternbergo valstybinis astronomijos institutas norėjo pastatyti tokią pat gravitacinę anteną Baksano tarpeklyje, tik mažesniu mastu. Tačiau atėjo perestroika, ir viskas ilgą laiką buvo padengta variniu baseinu. Dabar Maskvos valstybinio universiteto kelių policija bando kažką daryti, tačiau iki šiol antena neveikė...

Ką dar galite pabandyti patikrinti naudodami gravitacinę anteną?

Gravitacijos teorijos pagrįstumas. Juk dauguma egzistuojančių teorijų remiasi Einšteino teorija.

To paneigti dar niekas negali.

Ji užima vadovaujančią poziciją. Alternatyvios teorijos sukurtos taip, kad jos iš esmės sukeltų tokias pačias eksperimentines pasekmes kaip ir jos. Ir tai yra natūralu. Todėl mums reikia naujų faktų, kurie nušluotų neteisingas teorijas.

Trumpai, kaip suformuluotumėte atradimo prasmę?

Tiesą sakant, prasidėjo gravitacinė astronomija. Ir pirmą kartą užkabino erdvės kreivumo bangas. Ne netiesiogiai, o tiesiogiai. Žmogus žavisi savimi: koks aš kalės sūnus!

Anė Grušina

Laikinieji arba laiko kristalai yra nauja fizikoje idėja, kuri pastaraisiais metais buvo plačiai aptarinėjama. Tai yra fizinės sistemos, kurios laikui bėgant kartojasi „savaime“. Nepaisant koncepcijos egzotiškumo, mokslininkai jau svarsto galimas idėjos taikymo sritis ir ieško sėkmingiausių „kristalinio laiko“ paruošimo „receptų“.

Frankas Wilczekas, 2004 m. Nobelio premijos laureatas ir laiko krištolo koncepcijos autorius Nuotrauka: Kennethas C. Zirkelis/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0.

Laikinojo kristalo „receptas“ iš Christopherio Monroe eksperimento: lazerio spinduliuotė, rodoma oranžinėmis ir žaliomis rodyklėmis, apverčia magnetinius momentus (sukasi); lazerio šviesa, parodyta raudona rodykle, sukelia sutrikimus ir sukelia sąveiką tarp sukimų. Dėl to sukimų sistema svyruoja tarp dviejų stabilių būsenų, kurios yra atsparios siurblio dažnio pokyčiams.

Gamtos dėsnių grožis eina koja kojon su simetrija. Griežtai kalbant, simetrija fizikoje reiškia, kad kai kurios savybės išlieka nepakitusios tam tikros transformacijos metu: tai gali būti erdvės sukimasis ar poslinkis, veidrodinis atspindys. Paprasčiau tariant, kad ir kaip susuktum objektą ar Visatą, fizikos dėsniai nesikeičia. Simetrija gali būti ištisinė arba atskira. Pavyzdžiui, vienalytį rutulį galima pasukti bet kokiu kampu – niekas nepasikeis. Tačiau kubas „pasikartoja“ tik pasuktas tam tikru kampu. Tai yra nuolatinės ir diskrečios sukimosi simetrijos pavyzdžiai.

Įdomi fizika prasideda ten, kur simetrija keičiasi, tiksliau, nutrūksta. Tarkime, kristalas yra mažiau simetriškas nei vienalytis skystis, susidedantis iš tų pačių atomų, todėl jį galima vertinti kaip erdvinės simetrijos pažeidimą. Jame esantys atomai yra vadinamosios kristalinės gardelės mazguose su aiškiai apibrėžtais atstumais ir kampais. Norint gauti tą patį kristalą judant erdvėje, jis turi būti judinamas aiškiai apibrėžtu atstumu (vadinamoji gardelės konstanta – elementarios ląstelės dydis, kurį pasikartojant galima atkurti visą kristalą) arba pasukti tinkamas kampas. Konkrečios kristalų charakteristikos tiesiogiai priklauso nuo to, kaip tiksliai buvo pažeista simetrija: elektronų skaičius ant išorinio atomų apvalkalo, magnetiniai momentai, temperatūra – visa tai turi įtakos atomų tarpusavio sąveikai ir galiausiai lemia medžiagos savybes. Fizikai ilgą laiką tyrinėjo kristalus ir netgi išmoko kurti panašias sistemas naudojant lazerius ar mikrobangų krosneles, kur gardelės mazgų vaidmenį gali atlikti ne tik atomai ir elektronai, bet ir fotonai ar kvazidalelės, pavyzdžiui, fononai. Terpės simetriją trikdo ir įmagnetinimas bei elektros srovės tekėjimas.

Tačiau atskiras laiko arba laiko simetrijos pažeidimas (nuolatinis laiko tėkmė tik pirmyn) vis dar yra neištirta teritorija. Frankas Wilczekas, 2004 m. Nobelio premijos laureatas už kvarkų ir gliuonų sąveikos apibūdinimą, 2012 m. pradėjo mąstyti, kodėl laiko simetrija niekada nenutrūksta spontaniškai (tai yra dėl atsitiktinės sistemos elementų sąveikos) ir ar tai įmanoma. sudaryti sąlygas, kuriomis tai būtų įmanoma. Dėl to jis sugalvojo laikinus kristalus, kaip būdą sulaužyti laiko simetriją.

Laikinieji kristalai yra hipotetinės struktūros, kurios pulsuoja neišeikvodamos energijos, kaip mechaninis laikrodis, kuriam nereikia apvijos. Seka kartojasi laike, kaip ir kristalo atomai kartojasi erdvėje. Iš pirmo žvilgsnio laikinasis kristalas labiau primena mokslinės fantastikos rašytojo Vladislavo Krapivino Didžiojo kristalo pasaulį, o ne griežtą fiziką, tačiau tokia struktūra gali turėti rimtų fizinių priežasčių savo egzistavimui.

Vienas iš galimų laikinojo kristalo įgyvendinimo būdų yra atomų žiedas, kuris turėtų suktis ir reguliariai grįžti į pradinę būseną. Jo savybės būtų amžinai sinchronizuotos laike, panašiai kaip atomų padėtis kristale yra tarpusavyje susijusios. Pagal laikinojo kristalo apibrėžimą tokia sistema turi būti žemiausios energijos būsenoje, kad judėjimui nereikėtų energijos iš išorės. Tam tikra prasme laikinasis kristalas būtų amžinas variklis, išskyrus tai, kad jis nedarytų jokio naudingo darbo.

Mokslo bendruomenė šią idėją dažniausiai laikė provokuojančia. Nepaisant to, Frankas Wilczekas laikėsi savo pozicijos, įsitikinęs, kad problema yra subtilesnė, nei atrodė iš pirmo žvilgsnio, ir kad laikinieji kristalai yra naujo tipo tvarka. Be to, amžinasis judėjimas turi precedentų kvantiniame pasaulyje: teoriškai superlaidininkai elektros srovę praleidžia amžinai (nors srautas šiuo atveju yra vienodas, todėl laikui bėgant nekinta).

Laikinasis kristalų paradoksas sudomino Haruki Watanabe, Kalifornijos universiteto Berklyje magistrantę. Kai jis pristatė savo darbą apie simetrijos lūžimą erdvėje, jis buvo paklaustas apie Wilczeko idėjos apie laikinąjį kristalą pasekmes. Watanabe negalėjo atsakyti ir nusprendė panagrinėti šią problemą, sutelkdamas dėmesį į ryšius tarp nutolusių sistemos dalių laike ir erdvėje. 2015 m. kartu su fiziku Masaki Oshikawa iš Tokijo universiteto Watanabe įrodė teoremą, pagal kurią žemiausios energijos būsenos laikinojo kristalo sukūrimas yra neįmanomas. Jie taip pat įrodė, kad laikinieji kristalai neįmanomi jokiai pusiausvyros sistemai, kuri pasiekė stabilią būseną esant bet kokiai energijos vertei.

Šiuo metu fizinė bendruomenė laikinųjų kristalų egzistavimo klausimą laikė uždaru. Tačiau įrodymai paliko spragą. Tai neatmeta galimybės, kad sistemose, kuriose pusiausvyra dar nebuvo nustatyta, gali egzistuoti laikinieji kristalai. Ir viso pasaulio teoretikai pradėjo galvoti, kaip jie galėtų sukurti alternatyvias laikinųjų kristalų versijas, kad apeitų teoremą.

Proveržis netikėtai atėjo iš fizikos srities, kurioje tyrinėtojai šia tema visiškai negalvojo. Teoretikas Shivaji Sondhi ir jo kolegos iš Prinstono universiteto tyrė izoliuotos kvantinės sistemos, susidedančios iš sąveikaujančių dalelių „sriubos“, kuri buvo reguliariai energingai „spardoma“, elgseną. Jei tikėti vadovėliais, tai tokia sistema turėtų įkaisti ir ilgainiui tapti visiškai chaotiška. Tačiau Szondi grupė parodė, kad kai įvykdomos tam tikros sąlygos, dalelės susikaupia ir sudaro „modelį“, kuris laikui bėgant kartojasi.

Šis tyrimas patraukė vieno iš buvusių Wilczek mokinių Chetan Nayak dėmesį. Nayak ir jo kolegos teigė, kad keista, pusiausvyros neatitinkanti materijos forma gali būti laikino kristalo rūšis, nors ir ne visai tokia, apie kurią iš pradžių kalbėjo Wilczekas. Skirtumas tas, kad tokia sistema nėra mažiausiai energijos turinčios būsenos ir pulsacijai palaikyti ją reikia tiekti energija iš išorės. Tačiau tokia „sriuba“ turi savo ritmą, kuris skiriasi nuo siurbimo dažnio, o tai iš tikrųjų reiškia laiko simetrijos pažeidimą.

Christopheris Monroe iš Merilendo universiteto Koledžo parke, nepaisant jo skepticizmo, vis dėlto bandė sukurti panašų laikinąjį kristalą, naudodamas šaltus atomus. Sudėtingame „recepte“ yra trys pagrindiniai ingredientai: jėga, kuri veikia sistemą, atomų sąveika ir atsitiktinio sutrikimo elementas. Šis derinys riboja dalelių energijos kiekį, kurį jos gali sugerti, todėl jos gali likti tvarkingoje būsenoje.

Eksperimento metu dešimties iterbio jonų grandinė buvo pakaitomis apšviesta dviem lazeriais. Pirmasis lazeris apvertė atomų magnetinius momentus, o antrasis privertė juos atsitiktinai sąveikauti tarpusavyje. Tai lėmė sistemos magnetinio momento projekcijos svyravimus, kurių laikotarpis buvo dvigubai ilgesnis nei lazerio sukimosi siurbimo laikotarpis. Be to, net jei pirmasis lazeris nukrypo nuo norimo spinduliavimo dažnio, svyravimai sistemoje nepasikeitė. Kaip paprasti kristalai priešinasi bandymams perkelti atomus iš jų padėties kristalų gardelėje, taip ir laikinasis kristalas išlaikė savo periodiškumą laike.

Grupė fizikų iš Harvardo universiteto, vadovaujama Michailo Lukino (kuris taip pat yra vienas iš Rusijos kvantinio centro įkūrėjų), pasirinko kitą kelią ir sukūrė laikinąjį kristalą naudojant deimantą. Tam tikslui buvo susintetintas specialus mėginys, turintis apie milijoną netvarkingų defektų, kurių kiekvienas turėjo savo magnetinį momentą. Kai toks kristalas buvo veikiamas mikrobangų spinduliuotės impulsais, kad apsisuktų, fizikai užfiksavo sistemos atsaką tokiu dažniu, kuris buvo tik dalis jaudinančios spinduliuotės dažnio.

Teorinis fizikas Normanas Yao, dalyvavęs abiejuose eksperimentuose, pabrėžia, kad žemiausios energijos būsenos sistemos, pagal apibrėžimą, laikui bėgant neturėtų keistis. Priešingu atveju tai reikštų, kad jie turi papildomos energijos, kurią gali išleisti, ir galiausiai judėjimas turi sustoti. Yao eksperimentų rezultatą palygino su šokdyne: ranka daro du posūkius, o virvė tik vieną, ir tai yra silpnesnis simetrijos pažeidimas, nei iš pradžių sumanė Wilczekas, manęs, kad virvė gali vibruoti pati.

Abiejų eksperimentų rezultatai buvo paskelbti žurnale „Nature“ ir tikrai yra įdomūs, tačiau laikinojo kristalo apibrėžimas abiem atvejais gali būti laikomas šiek tiek tolimu. Fizikai sutinka, kad abi sistemos tam tikru būdu spontaniškai pažeidžia laiko simetriją ir todėl matematiniu požiūriu tenkina laiko kristalo reikalavimus. Tačiau ar jie tikrai gali būti laikomi tokiais, yra mokslinių diskusijų objektas.

Ar Monroe ir Lukinui pavyko gauti laikinus kristalus, ar ne, parodys laikas. Bet kokiu atveju šie eksperimentai yra įdomūs, nes pirmą kartą jie parodė paprasčiausius naujų materijos fazių pavyzdžius santykinai neištirtoje nepusiausvyros būsenų srityje. Šią naują materijos būseną sudaro kvantinių dalelių grupė, kuri nuolat kinta ir niekada nepasiekia stabilios būsenos. Stabilumas pasiekiamas atsitiktine sąveika, kuri sutrikdytų bet kurios kitos rūšies medžiagos pusiausvyrą.

Be to, šie rezultatai gali turėti praktinių pasekmių. Laikini kristalai gali būti naudingi kaip itin tikslūs jutikliai. Deimantų defektų magnetinių momentų elgsena jau naudojama fiksuojant menkiausius temperatūros ir magnetinių laukų pokyčius. Tačiau šis metodas turi savo apribojimų: kai per daug defektų „susigrūda“ mažame tūryje, sąveika tarp jų sunaikina kvantines būsenas. Laikinajame kristale, atvirkščiai, sąveika stabilizuoja sistemą, todėl milijonai defektų gali būti naudojami kartu sustiprinti signalą. Tai leis ypač tirti gyvas ląsteles ir atominio storio medžiagas.

Kitas tokių sistemų panaudojimo pavyzdys – kvantinis skaičiavimas gana aukštoje temperatūroje. Kvantiniai kompiuteriai yra perspektyvi ir ilgai laukta technologija, kuri dar toli iki praktinio įgyvendinimo. Esmė ta, kad trapūs kvantiniai bitai, kurie atlieka skaičiavimus, turi būti izoliuoti nuo terminio judėjimo kvantą naikinančio poveikio ir kitų aplinkos „šalutinių poveikių“, tačiau vis tiek gali užkoduoti ir nuskaityti iš jų informaciją. Fizikai tam naudoja labai žemą temperatūrą, tik nanolaipsnius virš absoliutaus nulio. Laikinasis kristalas iš esmės yra kvantinė sistema, kuri egzistuoja žymiai aukštesnėje temperatūroje. „Lukin“ deimantų atveju tai paprastai būna kambario temperatūroje.

Interviu, kurį galima perskaityti 2013 m. „Mokslas ir gyvenimas“ Nr. 12, Michailas Lukinas kalbėjo būtent apie tokį netikėtą praktinį „šalutinį poveikį“, kuris iš pirmo žvilgsnio yra visiškai fundamentalus mokslas. Ir galbūt tai yra fantastiškai skambanti laikinojo kristalo koncepcija, kuri atvers kelią į kvantinį skaičiavimą, nereikalaujant sudėtingos ir brangios kriogenikos.

Kosmosas padovanojo mokslininkams Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos šimtmečio proga dovaną – buvo aptiktos gravitacinės bangos

Šių metų vasario viduryje tarptautinio LIGO bendradarbiavimo nariai, vienijantys šimtus mokslininkų iš septyniolikos šalių, įskaitant Rusiją, paskelbė apie pirmąjį tiesioginį gravitacinių bangų, kurias skleidžia dvi susiliejančios juodosios skylės, kurių bendra masė yra daugiau nei 60 saulių, aptikimą 1,3 mlrd. prieš metus. Tai mokslinis įvykis, be perdėto, kosminiu mastu ir įvyko praėjusį rugsėjį lazerinėje gravitacinių bangų observatorijoje-interferometre LIGO (JAV). Dėl išsamaus komentaro kreipėmės į Rusijos mokslų akademijos Uralo filialo Elektrofizikos instituto Teorinės fizikos laboratorijos vedėją, akademiką. Michailas Sadovskis.

- Gerbiamas Michailai Vissarionovičiau, pirmiausia paaiškinkite mėgėjui, kas yra gravitacinė banga?

Įsivaizduokite keturis rutulius, kabančius skersai. Jei atsiras gravitacinis sutrikimas, du rutuliai nukryps vienas nuo kito tam tikru atstumu, o kiti du vienu metu veržiasi vienas prie kito; kitoje bangos fazėje jų judėjimas bus priešingas. Dėl to, veikiami gravitacinės bangos, visi keturi rutuliai pradės sinchroniškai svyruoti. Bet tai yra įsivaizduojamas eksperimentas. Kasdieniame gyvenime niekas nejaučia ir nestebi gravitacinių bangų, jos niekam nedaro įtakos, nes gravitacinė sąveika yra labai silpna, palyginti, pavyzdžiui, su elektromagnetinėmis. Ir nors dauguma teorinių fizikų niekada neabejojo ​​gravitacinių bangų egzistavimu, užduotis eksperimentiškai jas registruoti antžeminėmis sąlygomis atrodė labai sunki. Teko tikėtis kosmoso – ten atsiranda galingi gravitaciniai trikdžiai, kurių sukeliamos bangos gali pasiekti Žemę.

– Vadinasi, dabartinio atradimo negalima pavadinti netikėtu?

Gravitacinių bangų egzistavimą Albertas Einšteinas teoriškai numatė lygiai prieš 100 metų savo 1916 m. Tai natūraliai išplaukė iš bendrosios reliatyvumo teorijos arba šiuolaikinės gravitacijos teorijos. Jeigu elektromagnetinės bangos egzistuoja, tai turi būti ir gravitaciniai trikdžiai, kurie sklinda bangų pavidalu šviesos greičiu ir lokaliai keičia erdvės ir laiko geometriją. Gravitacinių bangų egzistavimo numatymas leido, pavyzdžiui, paaiškinti artimų dvigubų žvaigždžių sistemų konvergencijos greičio kitimą.

Pirmą kartą amerikiečių fizikas Josephas Weberis bandė išspręsti tiesioginio gravitacinių efektų registravimo problemą septintajame dešimtmetyje. Jis sukūrė pirmuosius detektorius – du masyvius aliuminio cilindrus, pakabintus dideliu atstumu vienas nuo kito. Anot Weberio, didelė gravitacinė banga priverstų juos svyruoti vieningai, taigi būtų galima užfiksuoti jos praėjimą. 1968 metais jis paskelbė apie gravitacinių bangų aptikimą savo detektoriais, tačiau jo eksperimentų rezultatais suabejojo ​​kiti tyrinėtojai. Deja, Josephas Weberis nesulaukė dabartinio jo įkurto judėjimo triumfo. Tačiau mokslininko indėlį į gravitacinių bangų astronomiją pripažįsta mokslo bendruomenė.

– Ar mūsų tautiečiai bandė registruoti gravitacines bangas?

SSRS ir Rusijoje gravitacinių bangų tyrimų pradininkas buvo Rusijos mokslų akademijos narys korespondentas. Vladimiras Braginskis. Jis skeptiškai žiūrėjo į Weberio eksperimentus, manydamas, kad tokiais detektoriais nieko negalima užregistruoti, tačiau jis ir toliau dirbo šia kryptimi.

Dabartiniame eksperimente įgyvendintą schemą taip pat pasiūlė vietiniai mokslininkai - profesorius Michailas Herzenšteinas ir akademikas Vladislavas Pustovoitas straipsnyje, paskelbtame žurnale „Journal of Experimental and Theoretical Physics“, 1962 m. Ši schema yra gana paprasta. Jis pastatytas ant Michelsono interferometro, kurio veikimo principas yra toks: šviesos spindulys iš šaltinio nukreipiamas į tam tikru atstumu nuo jo esantį veidrodį, atsispindi nuo veidrodžio ir grįžta atgal, o antrasis šviesos signalas. siunčiamas statmena kryptimi, jis taip pat atsispindi nuo veidrodžio ir grįžta. Toje vietoje, kur detektorių šviesos signalai susikerta, galite matyti trukdžių modelį. Jei gravitacinė banga praeina, veidrodžiai pradeda sinchroniškai drebėti, o trukdžių modelis pasikeičia. Dėl to, kad optika yra labai tikslus mokslas, tampa įmanoma aptikti net ir labai silpną gravitacinį efektą.

– Ar interferometras, kuriame buvo padarytas sensacingas atradimas, veikia tokiu principu?

Taip. LIGO observatorija susideda iš dviejų įrenginių: viena yra Hanforde, Vašingtone, kita - Livingstone, Luizianoje, maždaug 3 tūkstančių kilometrų atstumu. Kiekvienas interferometras turi dvi 4 km ilgio „rankas“, išdėstytas statmenai viena kitai. Tai vamzdžiai, kurių viduje iššaunamas lazerio spindulys. Jei atkeliauja gravitacinė banga, spindulių susikirtimo taške abiejuose detektoriaus interferometruose turėtų sinchroniškai atsirasti būdingas trukdžių modelis.

LIGO projekto iniciatoriai devintajame dešimtmetyje buvo Kalifornijos technologijos instituto profesoriai Kipas Tornas(beje, vienas iš kosminio veiksmo filmo „Tarpžvaigždinis“ scenarijaus autorių) ir Ronaldas vairuotojas, taip pat Masačusetso technologijos instituto profesorius Raineris Weissas.
Tarptautinio bendradarbiavimo dalyvių sąraše, kuriame yra daugiau nei 200 žmonių, yra ir mūsų tautiečių, tarp kurių jau įvardytas narys korespondentas, profesorius Vladimiras Braginskis. Valerijus Mitrofanovas(MSU), nariai korespondentai Aleksandras Sergejevas Ir Efimas Khazanovas(Nižnij Novgorodo Taikomosios fizikos institutas) ir kiti mokslininkai.

Rusijos projekto dalyvių darbas iš dalies buvo paremtas Rusijos fundamentinių tyrimų fondo dotacijomis. Deja, Rusijos mokslo fondo priimtos juokingos dotacijos sąlygos visiškai neleidžia remti tokio pobūdžio kolektyvinių tyrimų. Taigi pagal fondo taisykles Rusijos mokslo fondo finansuojami darbai negali būti remiami jokiais kitais fondais ar dotacijomis. Šis reikalavimas yra tiek griežtas, tiek nekonstruktyvus. Juk bet koks didelis mokslinis projektas, ypač tarptautinis, sulaukia dešimčių skirtingų fondų paramos, o LIGO bendradarbiavimas yra to pavyzdys.

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Bendra projekto kaina – apie 620 mln

Tuo tarpu LIGO projektas yra labai brangus. Observatorijos statyba kainavo 300 milijonų dolerių, pridėjus eksploatavimo ir modernizavimo išlaidas. LIGO pradėjo veikti 2002 m. ir veikė iki 2010 m. Tačiau tuo metu gravitacinių bangų registruoti nebuvo įmanoma, buvo fiksuojami tik įvairūs triukšmai. Tada interferometras buvo išjungtas atnaujinimui. Panašus LIGO interferometras Virgo su trijų kilometrų rankomis pradėjo veikti 2007 metais Italijoje, netoli Pizos. Jis modernizuojamas nuo 2011 m. ir turėtų būti vėl paleistas antroje šių metų pusėje. O patobulintas Advanced LIGO kompleksas pradėjo veikti 2015 metų rudens pradžioje.

– Pasirodo, atradimas įvyko netrukus po paleidimo?

Būtent. Rugsėjo 14 d. LIGO detektorius aptiko signalą, kuris gravitacinių bangų stebėjimo požiūriu atrodė „įtartinas“. Trukdžių modelio pokyčiai visiškai atitiko skaičiavimus, kuriuos bendradarbiavimo dalyviai iš anksto atliko gravitacinio trikdymo atveju. Būtent taip ir turėjo nutikti praeinant gravitacinei bangai, sukeltai susidūrus dviem juodosioms skylėms - masyvioms žvaigždėms paskutiniame gyvenimo etape, „sveriančioms“ 29 ir 36 saulės mases. Dėl kosminio kataklizmo susidarė 62 Saulės masių juodoji skylė, o trijų Saulės masių energija virto gravitacine spinduliuote, kuri mus pasiekė po 1,3 milijardo šviesmečių. Jei Mergelės interferometras jau veikė fiksavimo metu, būtų galima nustatyti, iš kur kilo gravitacinė banga. Šį kartą to padaryti nepavyko, tačiau mokslininkai tikisi, kad tai pavyks ateityje, kai LIGO ir Virgo dirbs lygiagrečiai.

– Ir pabaigai keli žodžiai apie įvykio reikšmę...

Tokių „sunkiųjų“ juodųjų skylių atradimas pats savaime yra pagrindinis astronomijos atradimas. O tiesioginis gravitacinių bangų registravimas iš esmės yra naujos mokslinės krypties – gravitacinių bangų astronomijos – gimimas. Tyrinėdami gravitacinius efektus, galime pažvelgti į ankstyviausius Visatos formavimosi laikotarpius. Juk nuo pat ankstyviausių „ugnies rutulio“ evoliucijos etapų, atsiradusių dėl Didžiojo sprogimo, šviesos signalai nepraeina, tačiau mus gali pasiekti šiame Visatos plėtimosi etape skleidžiamos gravitacinės bangos. Taip pat stebėtina, kad bendroji reliatyvumo teorija dabar beveik visiškai eksperimentiškai išbandyta klasikiniu (nekvantiniu) lygmeniu ir iš tiesų labai tiksliai apibūdina gravitaciją. Taigi atradimas tapo ryškia „dovana“ šios teorijos šimtmečio jubiliejui.

Žinoma, sunku kalbėti apie praktinę gravitacinių bangų registravimo prasmę, bet gali būti, kad tai paaiškės ateityje. XX amžiaus pradžioje niekas negalėjo pagalvoti, kad, pavyzdžiui, šiuolaikiniai GPS navigatoriai teisingai nustatys jūsų buvimo vietą tik atsižvelgdami į bendrosios reliatyvumo teorijos poveikį. Ir gravitacinių bangų astronomija, matyt, yra visai šalia.

Pirmasis užfiksuotas gravitacinės bangos signalas

Gravitacinė banga iš dvejetainių juodųjų skylių susijungimų, aptiktų LIGO detektoriais Hanforde ir Livingstone Kairėje yra Hanfordo detektoriaus duomenys (H1), dešinėje - Livingston (L1). Laikas skaičiuojamas nuo 2015 m. rugsėjo 14 d., 09:50:45 UTC. Viršutinė eilutė: įtampa h detektoriuose. GW150914 signalas pirmiausia atkeliavo į L1 ir po 6,9+0,5-0,4 ms į H1; vizualiniam palyginimui H1 duomenys rodomi L1 diagramoje atvirkštine ir laiko poslinkio forma (siekiant atsižvelgti į santykinę detektorių orientaciją). Antroji eilutė: įtampa h nuo gravitacinės bangos signalo, praleidžiamo per tą patį dažnių juostos filtrą, 35 - 350 Hz. Ištisinė linija yra skaitmeninio reliatyvumo rezultatas sistemoje, kurios parametrai suderinami su nustatytais remiantis GW150914 signalo, gauto dviem nepriklausomais kodais, su 99,9 atitikmenimis, tyrimas. Pilkos storos linijos yra 90 % pasikliovimo bangos formos sritys, rekonstruotos iš detektoriaus duomenų dviem skirtingais metodais. Tamsiai pilka linija modeliuoja laukiamus juodosios skylės susijungimo signalus, šviesiai pilka linija nenaudoja astrofizinių modelių, o vaizduoja signalą kaip tiesinį sinusoidinių-Gauso bangelių derinį. Rekonstrukcijos sutampa 94 ​​proc. Trečioji eilutė: likutinės paklaidos, atėmus išfiltruotą skaitinio reliatyvumo signalo prognozę iš filtruoto detektorių signalo. Apatinė eilutė: įtampos dažnio žemėlapio vaizdas, rodantis dominuojančio signalo dažnio padidėjimą laikui bėgant.

Ką pamatė LIGO detektoriai?

Matėme signalą, kuris atrodė tiksliai taip, kaip buvo prognozuota juodųjų skylių poros susijungimui. Parodytas santykinis interferometro tempimas veikiant gravitacinei bangai. Vertikali skalė yra 10–21, o tai reiškia, kad keturių kilometrų interferometro svirtis ištempta 2,5 x 10–15 cm (jie gali išmatuoti iki 10–17 cm ruožus, kad ir kaip tai atrodytų fantastiška). Paveikslėlyje parodytas dviejų detektorių (rodomų skirtingomis spalvomis), esančių 3000 km atstumu, išsiplėtimas ir susitraukimas. Pirmiausia atsiranda triukšmas, kuriame pradeda ryškėti akivaizdžios bangos, kurios ateina vis dažniau, o paskui staiga baigiasi. Kiekviena banga yra pusė dviejų juodųjų skylių sistemos apsisukimo. Jie greitai susilieja, todėl laikas tarp smailių sumažėja. Paskutinė banga yra praktiškai viena juodoji skylė, nors ir labai deformuota.

Kaip, žiūrint į paveikslėlį, galima įvertinti susiliejusių juodųjų skylių masę ir atstumą iki jų?
Būtina įvertinti besijungiančių objektų sukimosi laikotarpį paskutinę akimirką. Žiūrime į paveikslą ir matome, kad atstumas tarp paskutinių smailių yra maždaug dešimt kartų mažesnis nei tarp rizikų, tai yra apie 5 milisekundės. Tai yra pusė vis dar labai deformuotos juodosios skylės sukimosi periodo. Kokiu linijiniu greičiu sukasi jo paviršius? Panašus į šviesos greitį, bet mažesnis, maždaug trečdalis (ribojanti Kero skylė) – nepriklausomai nuo dydžio.

Tada sukimosi puslankis bus maždaug 500 km, padalinus iš?, gauname 170 km spindulį. Saulės masės juodosios skylės spindulys yra 3 km, o tai reiškia, kad sistemos masė yra apie 60 saulės masių. Iš tiesų – 62. Nuostabus tikslumas, ypač turint omenyje, kad laiką tarp smailių įvertinome akimis.

Dabar pabandykime įvertinti atstumą. Tai šiek tiek sudėtingiau. Gravitacinės bangos amplitudė (santykinė erdvės deformacija) yra atvirkščiai proporcinga atstumui iki šaltinio. Deformacija šaltinyje yra didžiulė, žinoma, ne vienetas, bet 0,1 yra gana realus (skaičiavimai pateikia būtent tokią eilę). Turime 10–21 (žr. vienetus vertikalioje ašyje), tai reiškia, kad esame apie 1020 kartų toliau nuo šaltinio nei jo dydis – 170 km (žr. aukščiau). Gauname 1,7 x 107 cm x 1020 = 1,7 x 1027 cm = 0,6 gigaparseko (iš tikrųjų 0,4 gigaparseko). Vėlgi, puikus smūgis, nepaisant to, kad vis dar yra neapibrėžtumas dėl sistemos pusiaujo plokštumos orientacijos regėjimo linijos atžvilgiu.