Аня Грушина
Темпоральные, или временны́е, кристаллы - новая идея в физике, широко обсуждаемая в последние годы. Они представляют собой физические системы, «сами по себе» повторяющиеся во времени. Несмотря на экзотичность концепции, исследователи уже прикидывают возможные области применения идеи и ищут наиболее удачные «рецепты» приготовления «кристаллического времени».
Франк Вильчек, нобелевский лауреат 2004 года и автор концепции временно"го кристалла. Фото: Kenneth C. Zirkel/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0.
«Рецепт» темпорального кристалла из эксперимента Кристофера Монро: лазерное излучение, показанное оранжевой и зелёной стрелками, переворачивает магнитные моменты (спины); лазерное излучение, показанное красной стрелкой, вносит беспорядок и вызывает взаимодействия между спинами. В результате система из спинов осциллирует между двумя стабильными состояниями, которые устойчивы к изменениям в частоте накачки.
Красота законов природы идёт рука об руку с симметрией. Строго говоря, симметрия в физике подразумевает то, что некоторое свойство остаётся неизменным при определённой трансформации: это может быть поворот или сдвиг в пространстве, зеркальное отражение. Проще говоря, как ни крути объект или Вселенную, законы физики не меняются. Симметрия может быть непрерывной и дискретной. Например, однородный шар можно поворачивать на любой угол - ничего не изменится. А вот куб «повторяет себя» только при повороте на определённый угол. Это примеры непрерывной и дискретной вращательной симметрии.
Интересная физика начинается там, где изменяется, а точнее, ломается симметрия. Скажем, кристалл менее симметричен, чем однородная жидкость, состоящая из тех же самых атомов, так что его можно рассматривать как нарушение пространственной симметрии. Атомы в нём находятся в узлах так называемой кристаллической решётки с чётко определёнными расстояниями и углами. Чтобы при движении в пространстве получить тот же самый кристалл, его нужно сдвинуть на чётко определённое расстояние (так называемую постоянную решётки - размер элементарной ячейки, повторением которой можно воспроизвести весь кристалл) или повернуть на соответствующий угол. Конкретные характеристики кристаллов напрямую зависят от того, как именно была нарушена симметрия: количество электронов на внешней оболочке атомов, магнитные моменты, температура - всё это влияет на взаимодействия между атомами и в конечном счёте определяет свойства материала. Физики давно изучают кристаллы и даже научились создавать похожие системы с помощью лазеров или микроволн, где роль узлов решётки могут играть не только атомы и электроны, но и фотоны или квазичастицы, например фононы. Симметрию среды нарушают также намагниченность и протекание электрического тока.
А вот дискретное нарушение временнoй, или темпоральной, симметрии (непрерывное течение времени только вперёд) - это пока что неизученная территория. Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии 2004 года, полученной за описание особенностей взаимодействия между кварками и глюонами, в 2012 году начал размышлять о том, почему временная симметрия никогда не нарушается спонтанно (то есть за счёт случайных взаимодействий между элементами системы) и реально ли создать условия, в которых это было бы возможным. В результате он придумал темпоральные кристаллы как способ нарушения временной симметрии.
Темпоральные кристаллы - это гипотетические структуры, которые пульсируют без затрат энергии, как механические часы, не требующие завода. Последовательность повторяется во времени, как атомы кристалла повторяются в пространстве. На первый взгляд темпоральный кристалл скорее напоминает о Мире Великого Кристалла фантаста Владислава Крапивина, чем о строгой физике, но у такой структуры могут быть веские физические основания для существования.
Одна из возможных реализаций темпорального кристалла представляет собой кольцо атомов, которое должно вращаться, регулярно возвращаясь в своё первоначальное состояние. Его свойства были бы вечно синхронизированы во времени, аналогично тому как взаимосвязано положение атомов в кристалле. По определению темпорального кристалла такая система должна находиться в состоянии с наименьшей энергией, чтобы движение не требовало поступления энергии извне. В некотором смысле темпоральный кристалл был бы вечным двигателем, за исключением того, что он не производил бы никакой полезной работы.
Научное сообщество в своём большинстве посчитало идею провокационной. Тем не менее Франк Вильчек стоял на своём, уверенный в том, что проблема хитрее, чем кажется на первый взгляд, и темпоральные кристаллы представляют собой новый тип упорядоченности. Более того, вечное движение имеет прецеденты в квантовом мире: теоретически сверхпроводники проводят электрический ток вечно (хотя поток в данном случае однороден и соответственно не изменяется во времени).
Парадокс темпорального кристалла заинтересовал Харуки Ватанабе, аспиранта Калифорнийского университета в Беркли. Когда он представлял свою работу о нарушении симметрии в пространстве, ему задали вопрос о следствиях идеи Вильчека о темпоральном кристалле. Ватанабе ответить не смог и решил разобраться в этом вопросе, сосредоточившись на корреляциях между удалёнными частями системы во времени и в пространстве. В 2015 году вместе с физиком Масаки Ошикава из университета Токио Ватанабе доказал теорему, согласно которой создание темпорального кристалла в состоянии с наименьшей энергией невозможно. Они также доказали, что темпоральные кристаллы невозможны для любой равновесной системы, достигшей устойчивого состояния при любом значении энергии.
На этом физическое сообщество посчитало вопрос существования темпоральных кристаллов закрытым. Тем не менее доказательство оставило лазейку. Оно не исключило возможность существования темпоральных кристаллов в системах, в которых ещё не установилось равновесие. И теоретики по всему миру начали думать о том, как можно создать альтернативные версии темпоральных кристаллов в обход теоремы.
Прорыв неожиданно пришёл из области физики, в которой исследователи совсем не думали на эту тему. Теоретик Шиваджи Сонди и его коллеги из университета Принстона изучали поведение изолированной квантовой системы, состоящей из «супа» взаимодействующих частиц, которую регулярно «подпинывали» энергетически. Если верить учебникам, то такая система должна нагреться и в итоге стать полностью хаотичной. Но группа Сонди показала, что при выполнении определённых условий частицы группируются вместе и образуют «узор», повторяющийся во времени.
Это исследование привлекло внимание Четана Наяка, одного из бывших студентов Вильчека. Наяк и его коллеги предположили, что странная неравновесная форма материи может быть разновидностью темпорального кристалла, хоть и не совсем такого, о котором изначально говорил Вильчек. Разница в том, что подобная система не находится в состоянии с наименьшей энергией и ей необходима подпитка энергией извне для поддержания пульсаций. Но такой «суп» обладает своим ритмом, отличным от частоты накачки, что фактически означает нарушение временной симметрии.
Кристофер Монро из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, несмотря на скептический настрой, тем не менее попробовал создать подобный темпоральный кристалл с помощью холодных атомов. Замысловатый «рецепт» содержит три основных ингредиента: силу, которая воздействует на систему, взаимодействие между атомами и элемент случайного беспорядка. Эта комбинация ограничивает частицы в количестве энергии, которую они могут поглотить, позволяя им оставаться в упорядоченном состоянии.
В эксперименте цепочку из десяти ионов иттербия поочерёдно освещали двумя лазерами. Первый лазер переворачивал магнитные моменты атомов, а второй заставлял их взаимодействовать между собой случайным образом. Это привело к колебаниям проекции магнитного момента системы с периодом в два раза больше периода лазерной подкачки спинов. Более того, даже если первый лазер сбивался с нужной частоты излучения, осцилляции в системе не изменялись. Как обычные кристаллы сопротивляются попыткам сдвинуть атомы с их позиций в кристаллической решётке, так и темпоральный кристалл сохранил свою периодичность во времени.
Группа физиков из Гарвардского университета под руководством Михаила Лукина (который также является соучредителем Российского квантового центра) пошла другим путём и реализовала темпоральный кристалл с помощью алмаза. Для этого был синтезирован специальный образец, содержащий порядка миллиона расположенных в беспорядке дефектов, каждый из которых обладал своим магнитным моментом. Когда такой кристалл подвергли воздействию импульсов микроволнового излучения для перевёртывания спинов, физики зафиксировали отклик системы на частоте, которая составила лишь долю частоты возбуждающего излучения.
Физик-теоретик Норман Яо, принявший участие в обоих экспериментах, подчёркивает, что системы в состоянии с наименьшей энергией по определению не должны изменяться во времени. В противном случае это бы значило, что у них есть лишняя энергия, которую они могут расходовать, и в конечном счёте движение должно остановиться. Результат экспериментов Яо сравнил со скакалкой: рука делает два оборота, а верёвка - только один, и это более слабое нарушение симметрии, чем изначально задуманное Вильчеком, который считал, что верёвка может колебаться сама по себе.
Результаты обоих экспериментов опубликованы в журнале «Nature» и, безусловно, интересны, но определение темпорального кристалла и в том и в другом случае можно считать немного притянутым за уши. Физики сошлись в том, что обе системы некоторым образом спонтанно нарушают временну́ю симметрию и поэтому удовлетворяют требованиям темпорального кристалла с математической точки зрения. Но можно ли их действительно считать таковыми - предмет научной дискуссии.
Темпоральные кристаллы получились у Монро и Лукина или нет, покажет время. В любом случае эти эксперименты интересны тем, что впервые продемонстрировали простейшие примеры новых фаз вещества в сравнительно неизученной области неравновесных состояний. Это новое состояние вещества состоит из группы квантовых частиц, которая непрерывно меняется, никогда не достигая стабильного состояния. Стабильность достигается за счёт случайных взаимодействий, которые бы нарушали равновесие в любом другом виде материи.
Более того, эти результаты могут иметь практическое значение. Темпоральные кристаллы могут пригодиться в роли суперточных сенсоров. Поведение магнитных моментов дефектов в алмазе уже используется для регистрации малейших изменений температуры и магнитных полей. Но такой подход имеет свои ограничения: когда слишком много дефектов «толпится» в маленьком объёме, взаимодействия между ними разрушают квантовые состояния. В темпоральном кристалле взаимодействия, наоборот, стабилизируют систему, поэтому миллионы дефектов можно использовать вместе для усиления сигнала. Это позволит исследовать, в частности, живые клетки и материалы атомарной толщины.
Другой пример применения таких систем - квантовые вычисления при достаточно высокой температуре. Квантовые компьютеры - многообещающая и долгожданная технология, которая пока далека от практической реализации. Дело в том, что хрупкие квантовые биты, которые производят вычисления, нужно изолировать от разрушающих квантовые состояния эффектов теплового движения и других «побочных эффектов» окружающей среды и в то же время иметь возможность кодировать и считывать с них информацию. Физики используют для этого очень низкие температуры, всего на наноградусы выше абсолютного нуля. Темпоральный кристалл по своей сути - это квантовая система, которая существует при существенно более высоких температурах. В случае алмаза Лукина - так вообще при комнатной температуре.
В интервью , которое можно прочитать в «Науке и жизни» № 12 за 2013 год, Михаил Лукин говорил именно о таких неожиданных практических «побочных эффектах» на первый взгляд совершенно фундаментальной науки. И возможно, именно фантастически звучащий концепт темпорального кристалла откроет дорогу к квантовым вычислениям без необходимости в сложной и дорогостоящей криогенике.
Космос преподнес ученым подарок к столетию общей теории относительности Эйнштейна - детектированы гравитационные волны
В середине февраля этого года члены международной коллаборации LIGO, объединяющей сотни ученых из семнадцати стран, в том числе из России, объявили о первой прямой регистрации гравитационных волн, испущенных двумя сливающимися черными дырами общей массой более 60 солнц 1,3 млрд лет назад. Это научное событие без преувеличения космического масштаба, и произошло оно в минувшем сентябре в лазерной гравитационно-волновой обсерватории-интерферометре LIGO (США). За подробным комментарием мы обратились к заведующему лабораторией теоретической физики Института электрофизики УрО РАН академику Михаилу Садовскому.
- Уважаемый Михаил Виссарионович, для начала объясните дилетанту, что такое гравитационная волна?
Представьте четыре шарика, подвешенные крест-накрест. Если произойдет гравитационное возмущение, два шарика отклонятся друг от друга на определенное расстояние, а другие два одновременно с этим устремятся навстречу друг другу; в следующей фазе волны их движение будет противоположным. В итоге под действием гравитационной волны все четыре шарика начнут синхронно колебаться. Но это воображаемый эксперимент. В повседневной жизни никто не чувствует и не наблюдает гравитационные волны, они ни на что не оказывают влияния, потому что гравитационные взаимодействия очень слабы по сравнению, например, с электромагнитными. И хотя большинство физиков-теоретиков никогда не сомневались в существовании гравитационных волн, задача их экспериментальной регистрации в земных условиях представлялась очень сложной. Оставалось надеяться на космос - там происходят мощные гравитационные возмущения, и вызванные ими волны могут дойти до Земли.
- Значит, нынешнее открытие неожиданным назвать нельзя?
Существование гравитационных волн было теоретически предсказано Альбертом Эйнштейном ровно 100 лет назад в его статье 1916 года. Это естественно следовало из общей теории относительности, или современной теории гравитации. Если существуют электромагнитные волны, то должны иметь место и гравитационные возмущения, которые распространяются в виде волн со скоростью света и локально изменяют геометрию пространства и времени. Предсказание о существовании гравитационных волн позволило, например, объяснить изменение темпов сближения тесных систем двойных звезд.
Впервые задачу прямой регистрации гравитационных эффектов попытался решить еще в 1960-годы американский физик Джозеф Вебер. Он разработал первые детекторы - два массивных алюминиевых цилиндра, подвешенных на большом расстоянии друг от друга. По мысли Вебера, большая гравитационная волна заставит их колебаться в унисон, и таким образом ее прохождение можно будет зарегистрировать. В 1968 году он объявил о регистрации гравитационных волн на своих детекторах, но результаты его экспериментов были подвергнуты сомнению другими исследователями. К сожалению, до нынешнего триумфа основанного им направления Джозеф Вебер не дожил. Впрочем, вклад ученого в гравитационно-волновую астрономию научным сообществом признан.
- А наши соотечественники предпринимали попытки зарегистрировать гравитационные волны?
В СССР и России пионером гравитационно-волновых исследований стал член-корреспондент РАН Владимир Брагинский . Он скептически относился к опытам Вебера, считая, что такими детекторами ничего зарегистрировать нельзя, но продолжал работать в этом направлении.
Схема, реализованная в нынешнем эксперименте, была предложена также отечественными учеными - профессором Михаилом Герценштейном и академиком Владиславом Пустовойтом в статье, опубликованной в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» за 1962 год. Схема эта достаточно проста. Она построена на интерферометре Майкельсона, принцип действия которого заключается в следующем: пучок света из источника направляется к зеркалу, расположенному от него на некотором расстоянии, отражается от зеркала и возвращается обратно, а второй световой сигнал пускается в перпендикулярном направлении, он также отражается от зеркала и возвращается. В точке пересечения световых сигналов на детекторах можно посмотреть картину интерференции. В случае прохождения гравитационной волны зеркала начинают синхронно дрожать, и картина интерференции меняется. Благодаря тому, что оптика - наука очень точная, появляется возможность зафиксировать даже очень слабый гравитационный эффект.
- Интерферометр, где было совершено сенсационное открытие, работает на этом принципе?
Да. Обсерватория LIGO состоит из двух установок: одна размещена в Хэнфорде, штат Вашингтон, другая - в Ливингстоне, штат Луизиана, на расстоянии около 3 тыс. километров. У каждого интерферометра два «плеча» длиной по 4 км, расположенные перпендикулярно друг другу. Это трубы, внутри которых пускается лазерный луч. Если придет гравитационная волна, то в обоих интерферометрах на детекторе в точке пересечения лучей синхронно должна возникнуть характерная картина интерференции.
Инициаторами проекта LIGO в 1980-е годы стали профессора Калифорнийского технологического института Кип Торн
(кстати, один из авторов сценария к космическому боевику «Интерстеллар») и Рональд Дривер
, а также профессор Массачусетского технологического института Райнер Вайсс
.
В
списке участников международной коллаборации, насчитывающем более 200
человек, есть наши соотечественники, в том числе уже названный
член-корреспондент Владимир Брагинский, профессор Валерий Митрофанов
(МГУ), члены-корреспонденты Александр Сергеев
и Ефим Хазанов
(Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород) и другие исследователи.
Работа российских участников проекта частично была поддержана грантами РФФИ. К сожалению, нелепые условия предоставления грантов, принятые в Российском научном фонде, полностью исключают поддержку такого рода коллективных исследований. Так, по правилам фонда, работа, профинансированная РНФ, не может быть поддержана никакими другими фондами и грантами. Требование это сколь жесткое, столь и неконструктивное. Ведь любой крупный научный проект, тем более международный, получает поддержку десятков различных фондов, и коллаборация LIGO тому пример.
Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Общая стоимость проекта - около 620 млн долларов
Между тем проект LIGO весьма дорогостоящий. Строительство обсерватории обошлось в 300 млн долларов плюс расходы на эксплуатацию и модернизацию. LIGO был запущен в 2002 году и работал до 2010-го. Однако в тот период гравитационные волны зарегистрировать не удалось, фиксировались лишь различные шумы. Затем интерферометр был остановлен для модернизации. Аналогичный LIGO интерферометр Virgo с трехкилометровыми плечами начал работать в 2007 году в Италии, неподалеку от Пизы. С 2011 года он проходит модернизацию, и во второй половине нынешнего должен быть запущен снова. А усовершенствованный комплекс Advanced LIGO приступил к работе в начале осени 2015 года.
- Получается, открытие произошло вскоре после запуска?
Именно так. 14 сентября на детекторе LIGO был зарегистрирован сигнал, который выглядел «подозрительно» с точки зрения наблюдения гравитационных волн. Изменения интерференционной картины полностью соответствовали расчетам, которые участники коллаборации произвели заранее на случай гравитационного возмущения. Это было именно то, что должно было быть при прохождении гравитационной волны, возникшей при столкновении двух черных дыр - массивных звезд, находящихся на последней стадии жизни, «весом» 29 и 36 масс Солнца. В результате космического катаклизма образовалась черная дыра в 62 солнечные массы, а энергия трех солнечных масс перешла в гравитационное излучение, которое через 1,3 млрд световых лет дошло до нас. Если бы к моменту фиксации интерферометр Virgo уже функционировал, можно было бы определить, откуда пришла гравитационная волна. В этот раз сделать это не удалось, но ученые надеются, что удастся в будущем, когда LIGO и Virgo будут работать параллельно.
- И, наконец, несколько слов о значении события…
Обнаружение таких «тяжелых» черных дыр - само по себе серьезное открытие в астрономии. А прямая регистрация гравитационных волн - это по существу рождение нового научного направления, гравитационно-волновой астрономии. Исследуя гравитационные эффекты, мы, вероятно, сможем заглянуть в самые ранние периоды формирования Вселенной. Ведь из самых ранних стадий эволюции «огненного шара», возникшего в результате Большого взрыва, световые сигналы не проходят, а гравитационные волны, излученные на этом этапе расширения Вселенной, могут до нас дойти. Замечательно и то обстоятельство, что общая теория относительности теперь практически окончательно экспериментально проверена на классическом (не квантовом) уровне и действительно очень точно описывает гравитацию. Так что состоявшееся открытие стало ярким «подарком» к столетнему юбилею этой теории.
О практическом смысле регистрации гравитационных волн пока говорить, конечно, сложно, но не исключено, что в будущем он обнаружится. В начале XX века ведь никто не мог предположить, что, к примеру, современные GPS-навигаторы будут правильно определять ваше местоположение только с учетом эффектов общей теории относительности. А гравитационно-волновая астрономия, по-видимому, уже совсем не за горами.
Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал
|
Гравитационная волна от слияния бинарных черных дыр, зарегистрированная детекторами LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне Слева - данные с детектора в Хэнфорде (H1), справа - в Ливингстоне (L1). Время отсчитывается от 14 сентября 2015, 09:50:45 UTC. Верхний ряд: напряжения h в детекторах. Сигнал GW150914 сначала прибыл на L1 и через 6,9+0,5?0,4 мс на H1; для визуального сравнения данные с H1 показаны на графике L1 в обращенном и сдвинутом по времени виде (чтобы учесть относительную ориентацию детекторов). Второй ряд: напряжения h от гравитационно-волнового сигнала, пропущенные через такой же полосный фильтр, 35 - 350 Гц. Сплошная линия - результат численной относительности для системы с параметрами, совместимыми с найденными на базе изучения сигнала GW150914, полученного двумя независимыми кодами с результирующим совпадением 99,9. Серые толстые линии - области 90% доверительной вероятности формы сигнала, восстановленные из данных детекторов двумя различными методами. Темно-серая линия моделирует ожидаемые сигналы от слияния черных дыр, светло-серая не использует астрофизических моделей, а представляет сигнал линейной комбинацией синусоидально-гауссовых вэйвлетов. Реконструкции перекрываются на 94%. Третий ряд: остаточные ошибки после извлечения отфильтрованного предсказания сигнала численной относительности из отфильтрованного сигнала детекторов. Нижний ряд: представление частотной карты напряжений, показывающее возрастание доминирующей частоты сигнала со временем. |
Что увидели детекторы LIGO
Увидели сигнал, выглядящий именно так, как предсказывалось для слияния пары черных дыр. Изображено относительное растяжение интерферометра под действием гравитационной волны. Масштаб по вертикали 10–21, что значит растяжение четырехкилометрового плеча интерферометра на 2,5 x 10–15 см (умеют мерить растяжения до 10–17 см, какой бы фантастикой это ни казалось). На рисунке - растяжения и сжатия двух детекторов (показано разными цветами), находящихся на расстоянии 3000 км. Сначала идет шум, в котором начинают проявляться явные волны, которые идут все чаще, а потом резко заканчиваются. Каждая волна - пол-оборота системы двух черных дыр. Они быстро сближаются, поэтому время между пиками уменьшается. Последняя волна - это уже практически одна черная дыра, хотя и сильно деформированная.
Как, глядя на рисунок, самому прикинуть массу слившихся черных дыр и расстояние до них
Надо
оценить период вращения сливающихся объектов в последний момент.
Смотрим на рисунок и видим, что расстояние между последними пиками
примерно в десять раз меньше, чем между рисками, то есть где-то 5
миллисекунд. Это полпериода вращения еще сильно деформированной черной
дыры. С какой линейной скоростью вращается ее поверхность? Сравнимой со
скоростью света, но меньше, примерно треть (предельная керровская дыра) -
независимо от размера.
Тогда полуокружность вращения будет примерно 500 км, делим на?, получаем радиус 170 км. Радиус черной дыры солнечной массы - 3 км, значит, масса системы - около 60 солнечных. На самом деле - 62. Поразительная точность, особенно если учесть, что время между пиками мы прикидывали на глазок.
Теперь попробуем оценить расстояние. Это чуть сложней. Амплитуда гравитационной волны (относительная деформация пространства) обратно пропорциональна расстоянию до источника. В источнике деформация огромна, ну не единица, конечно, но 0,1 - вполне реально (расчеты дают именно такой порядок величины). Мы имеем у себя 10–21 (см. единицы по вертикальной оси), значит, мы находимся примерно в 1020 раз дальше от источника, чем его размер - 170 км (см. выше). Получаем 1,7 x 107 см x 1020 = 1,7 x 1027 см = 0,6 гигапарсека (на самом деле 0,4 гигапарсека). Опять замечательное попадание при том, что есть еще неопределенность в ориентации экваториальной плоскости системы относительно луча зрения.
Вчера мир потрясла сенсация: ученые наконец-то обнаружили гравитационные волны, существование которых предсказывал Эйнштейн еще сто лет назад. Это прорыв. Искажение пространства-времени (это и есть гравитационные волны - сейчас объясним, что к чему) обнаружили в обсерватории ЛИГО, а одним из ее основателей является - кто бы вы думали? - Кип Торн, автор книги .
Рассказываем, почему открытие гравитационных волн так важно, что сказал Марк Цукерберг и, конечно, делимся историей от первого лица. Кип Торн как никто другой знает, как устроен проект, в чем его необычность и какое значение ЛИГО имеет для человечества. Да-да, все так серьезно.
Открытие гравитационных волн
Научный мир навсегда запомнит дату 11 февраля 2016. В этот день участники проекта ЛИГО (LIGO) объявили: после стольких тщетных попыток гравитационные волны найдены. Это реальность. На самом деле их обнаружили немного раньше: в сентябре 2015 года, но вчера открытие было признано официально. В The Guardian считают, что ученые непременно получат Нобелевскую премию по физике.
Причина гравитационных волн - столкновение двух черных дыр, которое произошло аж… в миллиарде световых лет от Земли. Представляете, насколько огромна наша Вселенная! Так как черные дыры - очень массивные тела, они пускают «рябь» по пространству-времени, немного его искажая. Вот и появляются волны, похожие на те, которые распространяются от камня, брошенного в воду.
Вот так можно представить гравитационные волны, идущие к Земле, например, от червоточины. Рисунок из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Полученные колебания преобразовали в звук. Интересно, что сигнал от гравитационных волн приходит примерно на той же частоте, что и наша речь. Так что мы можем своими ушами услышать, как сталкиваются черные дыры. Послушайте, как звучат гравитационные волны .
И знаете что? Совсем недавно , что черные дыры устроены не так, как считалось раньше. Но ведь доказательств того, что они в принципе существуют, не было вовсе. А теперь есть. Черные дыры действительно «живут» во Вселенной.
Так, по мнению ученых, выглядит катастрофа – слияние черных дыр, — .
11 февраля состоялась грандиозная конференция, куда съехались больше тысячи ученых из 15 стран. Российские ученые тоже присутствовали. И, конечно, не обошлось без Кипа Торна. «Это открытие - начало изумительного, великолепного квеста для людей: поиска и исследования искривленной стороны Вселенной - объектов и явлений, созданных из искаженного пространства-времени. Столкновение черных дыр и гравитационные волны - наши первые замечательные образцы», - сказал Кип Торн.
Поиск гравитационных волн был одной из главных проблем физики. Теперь они найдены. И гений Эйнштейна подтвержден вновь.
В октябре мы взяли интервью у Сергея Попова, отечественного астрофизика и известного популяризатора науки. Он как в воду глядел! Осенью : «Мне кажется, что сейчас мы стоим на пороге новых открытий, что в первую очередь связано с работой детекторов гравитационных волн LIGO и VIRGO (Кип Торн как раз внес большой вклад в создание проекта LIGO)». Удивительно, правда?
Гравитационные волны, детекторы волн и LIGO
Что ж, а теперь немного физики. Для тех, кто действительно хочется разобраться в том, что такое гравитационные волны. Вот художественное изображение тендекс-линий двух черных дыр, которые вращаются по орбитам друг вокруг друга, против часовой стрелки, и затем сталкиваются. Тендекс-линии порождают приливную гравитацию. Идем дальше. Линии, которые исходят из двух наиболее удаленных друг от друга точек на поверхностях пары черных дыр, растягивают все на своем пути, включая попавшую на рисунок подругу художницы. Линии же, исходящие из области столкновения, все сжимают.
Когда дыры вращаются одна вокруг другой, они увлекают следом свои тендекс-линии, которые походят на струи воды из крутящейся поливалки на газоне. На рисунке из книги «Интерстеллар. Наука за кадром» - пара черных дыр, которые сталкиваются, вращаясь одна вокруг другой против часовой стрелки, и их тендекс-линии.
Черные дыры объединяются в одну большую дыру; она деформирована и вращается против часовой стрелки, увлекая за собой тендекс-линии. Неподвижный наблюдатель, находящийся вдали от дыры, почувствует колебания, когда через него будут проходить тендекс-линии: растяжение, затем сжатие, затем растяжение - тендекс-линии стали гравитационной волной. По мере распространения волн деформация черной дыры постепенно уменьшается, и волны также ослабевают.
Когда эти волны достигают Земли, они имеют вид, показанный в верхней части рисунка ниже. Они растягивают в одном направлении и сжимают в другом. Растяжения и сжатия колеблются (от красного вправо-влево, к синему вправо-влево, к красному вправо-влево и т. д.) по мере того, как волны проходят через детектор в нижней части рисунка.
Гравитационные волны, проходящие через детектор ЛИГО.
Детектор представляет собой четыре больших зеркала (40 килограммов, 34 сантиметра в диаметре), которые закреплены на концах двух перпендикулярных труб, называемых плечами детектора. Тендекс-линии гравитационных волн растягивают одно плечо, сжимая при этом второе, а затем, наоборот, сжимают первое и растягивают второе. И так снова и снова. При периодическом изменении длины плеч зеркала смещаются друг относительно друга, и эти смещения отслеживаются с помощью лазерных лучей способом, который называется интерферометрией. Отсюда и название ЛИГО: Лазерно-интерферометрическая гравитационноволновая обсерватория.
Центр управления ЛИГО, откуда отправляют команды детектору и следят за полученными сигналами. Гравитационные детекторы ЛИГО расположены в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. Фото из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Сейчас ЛИГО - интернациональный проект, в котором участвует 900 ученых из разных стран, со штабом, расположенным в Калифорнийском технологическом институте.
Искривленная сторона Вселенной
Черные дыры, червоточины, сингулярности, гравитационные аномалии и измерения высшего порядка связаны с искривлениями пространства и времени. Поэтому Кип Торн называет их «искривленной стороной Вселенной». У человечества до сих пор очень мало экспериментальных и наблюдательных данных с искривленной стороны Вселенной. Вот почему мы столько внимания отдаем гравитационным волнам: они состоят из искривленного пространства и предоставляют наиболее доступный для нас способ исследовать искривленную сторону.
Представьте, что вам приходилось видеть океан, только когда он спокоен. Вы бы знать не знали о течениях, водоворотах и штормовых волнах. Это напоминает наши сегодняшние знания об искривлении пространства и времени.
Мы почти ничего не знаем о том, как искривленное пространство и искривленное время ведут себя «в шторм» - когда форма пространства бурно колеблется и когда колеблется скорость течения времени. Это необыкновенно манящий рубеж знаний. Ученый Джон Уилер придумал для этих изменений термин «геометродинамика»
Особый интерес в области геометродинамики представляет столкновение двух черных дыр.
Столкновение двух невращающихся черных дыр. Модель из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
На рисунке выше изображен момент столкновения двух черных дыр. Как раз такое событие позволило ученым зафиксировать гравитационные волны. Эта модель построена для невращающихся черных дыр. Сверху: орбиты и тени дыр, вид из нашей Вселенной. Посередине: искривленное пространство и время, вид из балка (многомерного гиперпространства); стрелками показано, как пространство вовлекается в движение, а изменяющимися цветами - как искривляется время. Снизу: форма испускаемых гравитационных волн.
Гравитационные волны от Большого взрыва
Слово Кипу Торну. «В 1975 году Леонид Грищук, мой добрый приятель из России, сделал сенсационное заявление. Он сказал, что в момент Большого взрыва возникло множество гравитационных волн, причем механизм их возникновения (прежде неизвестный) был таков: квантовые флуктуации (случайные колебания - прим. ред) гравитационного поля при Большом взрыве были многократно усилены первоначальным расширением Вселенной и так стали изначальными гравитационными волнами. Эти волны, если их удастся обнаружить, могут рассказать нам, что происходило в момент зарождения нашей Вселенной».
Если ученые найдут первоначальные гравитационные волны, мы узнаем, как зародилась Вселенная.
Люди разгадали далеко на все загадки Вселенной. Все еще впереди.
В последующие годы, по мере того как совершенствовались наши представления о Большом взрыве, стало очевидно: эти изначальные волны должны быть сильными на длинах волн, соизмеримых с величиной видимой Вселенной, то есть на длинах в миллиарды световых лет. Представляете, сколько это?.. А на длинах волн, которые охватывают детекторы ЛИГО (сотни и тысячи километров), волны, скорее всего, окажутся слишком слабыми, чтобы их распознать.
Команда Джейми Бока построила аппарат BICEP2 , с помощью которого был обнаружен след изначальных гравитационных волн. Аппарат, находящийся на Северном полюсе, показан здесь во время сумерек, которые бывают там лишь дважды в год.
Аппарат BICEP2 . Изображение из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Он окружен щитами, экранирующими аппарат от излучения окружающего ледяного покрова. В правом верхнем углу показан обнаруженный в реликтовом излучении след - поляризационный узор. Линии электрического поля направлены вдоль коротких светлых штрихов.
След начала Вселенной
В начале девяностых космологи поняли, что эти гравитационные волны длиной в миллиарды световых лет должны были оставить уникальный след в электромагнитных волнах, наполняющих Вселенную, - в так называемом космическом микроволновом фоне, или реликтовом излучении. Это положило начало поискам святого Грааля. Ведь если обнаружить этот след и вывести из него свойства изначальных гравитационных волн, можно узнать, как зарождалась Вселенная.
В марте 2014 года, когда Кип Торн писал эту книгу, команда Джеми Бока, космолога из Калтеха, кабинет которого находится рядом с кабинетом Торна, наконец обнаружила этот след в реликтовом излучении.
Это совершенно потрясающее открытие, но есть один спорный момент: след, найденный командой Джеми, мог быть вызван не гравитационными волнами, а чем-то еще.
Если действительно найден след гравитационных волн, возникших при Большом взрыве, значит, произошло космологическое открытие такого уровня, какие случаются, быть может, раз в полвека. Оно дает шанс прикоснуться к событиям, которые происходили спустя триллионную от триллионной от триллионной доли секунды после рождения Вселенной.
Это открытие подтверждает теории, гласящие, что расширение Вселенной в тот миг было чрезвычайно быстрым, на сленге космологов - инфляционно быстрым. И возвещает наступление новой эры в космологии.
Гравитационные волны и «Интерстеллар»
Вчера на конференции по поводу открытия гравитационных волн Валерий Митрофанов, руководитель московской коллаборации ученых LIGO, в которую входят 8 ученых из МГУ, отметил, что сюжет фильма «Интерстеллар» хоть и фантастичен, но не так далек от действительности. А все потому, что научным консультантом был Кип Торн. Сам же Торн выразил надежду, что верит в будущие пилотируемые полеты человека к черной дыре. Пусть они случатся не так скоро, как хотелось бы, и все же сегодня это намного реальнее, чем было раньше.
Не так уж и далек день, когда люди покинут пределы нашей галактики.
Событие всколыхнуло умы миллионов людей. Небезызвестный Марк Цукерберг написал: «Обнаружение гравитационных волн - самое большое открытие в современной науке. Альберт Эйнштейн - один из моих героев, поэтому я воспринял открытие так близко. Столетие назад в рамках Общей Теории Относительности (ОТО) он предсказал существование гравитационных волн. А ведь они так малы, чтобы их обнаружить, что пришло искать их в истоках таких событий, как Большой взрыв, взрывы звезд и столкновения черных дыр. Когда ученые проанализируют полученные данные, перед нами откроется совершенной новый взгляд на космос. И, возможно, это прольет свет на происхождение Вселенной, рождение и процесс развития черных дыр. Это очень вдохновляет - думать о том, сколько жизней и усилий было положено на то, чтобы сорвать покров с этой тайны Вселенной. Этот прорыв стал возможным благодаря таланту блистательных ученых и инженеров, людей разных национальностей, а также новейшим компьютерным технологиям, которые появились только недавно. Поздравляю всех причастных. Эйнштейн бы вами гордился».
Такая вот речь. И это человек, который просто интересуется наукой. Можно себе представить, какая буря эмоций захлестнула ученых, которые внесли свою лепту в открытие. Кажется, мы стали свидетелями новой эры, друзья. Это поразительно.
P.S.: Понравилось? Подписывайтесь на нашу рассылку по кругозору . Раз в неделю присылаем познавательные письма и дарим скидки на книги МИФа.
МОСКВА, 18 фев — РИА Новости. Экспериментальное подтверждение существования гравитационных волн - "ряби" пространства-времени — стало грандиозным успехом мировой астрофизики и своеобразным подарком Альберту Эйнштейну к 100-летию его общей теории относительности, считают участники Московской группы коллаборации LIGO.
Индия построит лабораторию для изучения гравитационных волн В рамках проекта, который будет реализован в сотрудничестве с обсерваторией LIGO в США, специалисты, в частности, построят восьмикилометровую лучевую трубку в сверхвысоком вакууме.Гравитационные волны были впервые в истории зафиксированы 14 сентября 2015 года детекторами гравитационной обсерватории LIGO в американских штатах Луизиана и Вашингтон. Ученым из Массачусетского и Калифорнийского технологических институтов удалось зафиксировать "рябь" пространства-времени от катастрофического столкновения двух черных дыр в дальнем космосе.
Масса этих черных дыр в 29 и 36 раз превышала массы Солнца, а само слияние произошло 1,3 миллиарда лет назад, но двигающаяся со скоростью света гравитационная волна дошла до Земли лишь сейчас.
Новый прорыв
Одно из главных достижений проекта по обнаружению гравитационных волн - это то, что теоретические данные полностью совпали с реальным экспериментом. Ученые сумели показать, что излучение гравитационных волн произошло именно в результате слияния двух черных дыр, заявил РИА Новости заведующий кафедрой физики колебаний физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова доктор физико-математических наук Сергей Вятчанин.
"Поймали, во-первых, на двух антеннах (двух детекторах, которые разделяет 3 тысячи километров), а во-вторых сформулировали сценарий, и он "лег", так сказать. Вот это огромное достижение… Это черные дыры, 30 солнечных масс, слились, … и последняя агония этого слияния и дала этот огромный всплеск", — сказал ученый.
Профессор физического факультета МГУ, руководитель Московской группы коллаборации LIGO Валерий Митрофанов отметил, что существование гравитационных волн уже давно не ставилось научным сообществом под сомнение.
Многие ученые, которые занимаются другими темами, уже думали над тем, как данное явление может быть использовано в их исследованиях, хотя экспериментальное подтверждение существования волн гравитации состоялось только в сентябре 2015 года, отметил профессор.
Еще полгода ушли на тщательнейшую проверку полученных данных, и когда стало ясно, что ошибка практически исключена (на 100% она исключена не может быть, в принципе), было объявлено об открытии - без сомнений, одном из крупнейших в истории астрофизики.
Технологии появятся нескоро
Регистрация гравитационных волн открывает новые возможности для развития науки, однако практические технологии на основе данного явления появятся нескоро, считают физики.
"Очень трудно рассчитывать на то, что открытие гравитационных волн будет способствовать повышению комфорта жизни", — иронизирует Вятчанин.
С другой стороны, он привел в пример открытие электромагнитных волн в XIX веке - когда оно было сделано, мало кто мог представить, что чуть ли не все технические новации XX века будут базироваться на этом явлении.
По словам Митрофанова, тема создания прикладных технологий, основанных на гравитационных волнах, очень интересная, и "может неожиданно сыграть" в будущем. Но в настоящее время трудно представить, когда и в какой форме эти технологии будут реализованы.
История Вселенной
Задача обнаружения реликтовых гравитационных волн, которые стали следствием событий, произошедших сразу после зарождения Вселенной, на порядок сложнее, чем детекция сигнала от такого большого и катастрофического события, как слияние черных дыр. Однако, по мнению российских ученых, в конце концов, эта задача будет решена, что позволит совершить значительный шаг в изучении истории Вселенной.
"Гравитационные волны не поглощаются материей, мы можем заглянуть в самые-самые начальные моменты после Большого взрыва, так скажем, когда, собственно, началась Вселенная и начала развиваться", — пояснил Митрофанов.
Вятчанин отметил, что обнаружение реликтового гравитационного фона - "значительно более сумасшедшая" задача, чем та, которая была решена коллаборацией LIGO. Однако в отдаленной перспективе человечество сможет создать достаточно чувствительные приборы, которые смогут "поймать" реликтовые гравитационные волны, что позволит "просеять" космологические теории и отделить те, которые не соответствуют полученным данным, указал профессор.
Темная материя
Одна из тайн Вселенных, в разгадке которой может помочь открытие, касается темной материи - загадочного вещества, которое, по расчетам, должно вместе с темной энергией составлять большую часть состава Вселенной, но при текущем уровне развития технологий не может быть обнаружено.
По словам Митрофанова, темная материя, возможно, способна испускать гравитационные волны и взаимодействовать с ними, но пока никаких указаний на это нет. Тем не менее, исследования на стыке изучения гравитационных волн и темной материи способны дать интересные результаты. Однако значимым открытиям будет предшествовать период накопления данных и обработки полученной информации, указал исследователь.
Сергей Вятчанин также придерживается мнения, что гравитационные волны можно использовать для изучения темной материи. Но ученый отметил, что к настоящему моменту не разработаны сценарии, которые бы описывали излучение гравитационных волн темной материей.
Проект LIGO — система из двух одинаковых детекторов, тщательно настроенных для детектирования невероятно малых смещений метрики пространства-времени от прохождения гравитационных волн. Детекторы расположены в 3 тысячах километров друг от друга.
Исследования осуществляются в рамках научной коллаборации LIGO (LSC — LIGO Scientific Collaboration) коллективом из более чем тысячи ученых из университетов США и 14 других стран, включая РФ. Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского университета и группой академического Института прикладной физики (Нижний Новгород).
Детекторам Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), расположенным в Ливингстоне, штат Луизиана, и в Хэнфорде, штат Вашингтон (США), уже во второй раз удалось зафиксировать гравитационные волны, возникшие в результате столкновения двух черных дыр. Это является началом новой эры в науке астрономии, заявили ученые.
Ученые "стерли" черные дыры
Эйнштейн, ты прав!
Коллаборация LIGO была создана в 1980 году по инициативе американских физиков Кипа Торна и Рональда Дривера и финансируется Национальным научным фондом США. Стоимость установок составляет около 370 миллионов долларов. В проекте участвуют более тысячи исследователей из 15 стран, в том числе сотрудники физического факультета МГУ и Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород).
Впервые была обнаружена 14 сентября прошлого года, а данные обработаны 11 февраля этого года. было порождено парой , одна из которых в 29, а другая в 36 раз тяжелее Солнца. Они слились в массивный гравитационный объект с массой, превышающей солнечную в 62 раза. Случилось это 1,3 миллиарда лет назад.
Открытие стало подтверждением гипотезы, сформулированной Альбертом Эйнштейном в 1915 году в рамках общей теории относительности. Физик предположил существование гравитационных волн, создающих "рябь" в системе пространства-времени. Именно гравитационными колебаниями он объяснял эффект изменения орбиты Меркурия, обнаруженный в 1859 году французским астрономом Урбеном Леверье. Альберт Эйнштейн же заявил, что масса Солнца искривляет пространство-время, а поскольку Меркурий — самая близкая к Солнцу планета, то его орбита и колеблется, оказавшись в зоне "искривления". Также великий ученый считал, что искривляющееся пространство-время представляет собой линзу, способную "изгибать" звездный свет. Позднее это подтвердил британский астроном Артур Эддингтон, который, делая снимки солнечного затмения, обнаружил, что световое излучение отдельных звезд из скопления Гиады под влиянием Солнца сдвинулось примерно на одну двухтысячную долю градуса.
Повторный сигнал
И вот все подтвердилось на практике! Второй сигнал детекторы уловили еще 26 декабря прошлого года, но данные по нему были обработаны только сейчас.
Если первый зарегистрированный сигнал был четким, то второй оказался гораздо слабее, но все же специальная методика позволила его "отфильтровать". Как и в прошлый раз, исследователи пришли к заключению, что гравитационную "рябь" породило столкновение двух черных дыр, масса одной из которых в 14, а другой — в восемь раз больше солнечной. В последние секунды их слияния выплеснулось количество энергии, эквивалентное примерно одной солнечной массе, и образовалась одна массивная вращающаяся черная дыра, масса которой в 21 раз превышает массу Солнца. Событие приключилось около 1,4 миллиарда лет назад, но волны, как это водится в космосе, дошли до нас лишь сейчас…
По словам экспертов, сигнал был зарегистрирован на последних 27 оборотах перед слиянием черных дыр. Детектор в Ливингстоне зафиксировал это событие на 1,1 миллисекунды раньше, чем хэнфордский. Это позволяет приблизительно оценить расположение источника волн на небосклоне.
Появление волн можно будет предсказать
Подробности открытия были опубликованы в журнале Physical Review Letters . "Важно то, что второй сигнал был порожден черными дырами с относительно небольшими массами, что гораздо лучше соответствует предсказаниям астрофизиков, — прокомментировал профессор физфака МГУ Фарид Халили. — Теперь мы можем быть более уверены в том, что первое событие не было редчайшим исключением".
"Повторное обнаружение гравитационных волн дает мощный импульс для создания по всему миру гравитационно-волновых детекторов нового поколения для дальнейшего исследования ", — считает доцент МГУ Сергей Стрыгин.
Специалисты надеются, что полученные данные позволят спрогнозировать частоту обнаружения гравитационных волн в будущем. Планируется продолжить наблюдения осенью нынешнего года, когда будет запущена обсерватория Advanced LIGO, детекторы которой вдвое чувствительнее, чем у LIGO. Кроме того, к концу осени к работе коллаборации LIGO присоединится европейская обсерватория Virgo.