Упродовж сотень років, починаючи з часів Ньютона та Лагранжа, вчені пропонували безліч відповідей на питання про точну швидкість гравітації. Два основних припущення, навколо яких крутилися дебати, полягали в тому, що гравітація або нескінченно швидка і пронизує весь простір, або поширюється зі швидкістю світла.
Наприклад, Лаплас у 1805 році, використовуючи формули Ньютона, порахував, що швидкість гравітації має бути мінімум у 7.106 разів вищою за швидкість світла — інакше орбіти планет не співпадали б з тим, що ми бачимо на небі. Розрахунки Лапласа використовуються досі, і були одним із аргументів противників теорії відносності Ейнштейна, запропонованої на сотню років пізніше.
Дебати тривали ще довгий час, регулярно знаходилися нові аргументи, що підтверджують ту чи іншу сторону (наприклад, роботи Лоренца про інваріантність статичних полів, які показали, що саме у своїх розрахунках не врахував Лаплас). Але остаточну відповідь на питання про швидкість гравітації було знайдено лише 5 років тому. Завдяки спостереженням за гравітаційними хвилями, проведеним у 2017 році, ми тепер знаємо, як відбувається поширення гравітації у космосі.
Серед усіх фундаментальних сил, відомих людству, гравітація є найвідомішою. Ми відчуваємо її завжди. Але одночасно вона утримує весь Всесвіт, з'єднуючи далекі галактики у велику космічну мережу, частини якої впливають одна на одну. Звідси виникає питання: чи гравітація має швидкість? І якщо так, то яку? І чи можемо ми якось її виміряти?
Почнемо з уявного експерименту. Припустимо, в цей момент Сонце якимось чином зникло. Не просто згасло, а повністю зникло. Ми знаємо, що світло рухається із фіксованою швидкістю: 300 000 кілометрів на секунду. Знаючи відому відстань між Землею та Сонцем (150 мільйонів кілометрів), ми можемо розрахувати, через скільки ми дізнаємося, що Сонце зникло. Пройде близько восьми хвилин і 20 секунд, перш ніж небо різко потемніє.
Але що про гравітацію? Якщо Сонце зникне, воно не лише перестане випромінювати світло, а й перестане надавати гравітаційну дію, яка утримує планети на орбітах. Чи може статися так, що про відсутність Сонця ми дізнаємося ще швидше, коли Земля раптом змінить свою траєкторію?
Питання, з вершин нашого розуміння Всесвіту, може здатися дурним. Це порушило б теорію відносності Ейнштейна, чи не так? Ніщо у світі не може рухатися крізь простір швидше за швидкість світла! Але в той же час ми вже знаємо, що сам простір переміщується швидше за швидкість світла. Він розширюється на всі боки так, що далекі галактики вже віддаляються одна від одної швидше, ніж світло від них може досягти один одного. Через трильйони років, якщо це продовжиться, світло навіть від найближчих галактик перестане досягати Землі. Будь-які фізичні об'єкти, так, не можуть рухатися швидше за швидкість світла, але чи є гравітація таким об'єктом?
Поки що ми не знайшли частинку, яка б могла відповідати за гравітацію. Гіпотетичний безмасовий гравітон, запропонований у 1930-х роках, так і не було виявлено, незважаючи на величезну кількість експериментів. Єдине, що ми тепер знаємо, напевно, за розрахунками, гравітони повинні жити мінімум по 450 мільйонів років. А їх утворення прибирає із системи настільки мало енергії, що виявити їх ми зможемо тільки в дев'ятивимірному просторі та за енергій зіткнень від 100 трлн електронвольт (Великий адронний колайдер дає максимум 6,5 ТЕВ).
Загалом у порівнянні з гравітоном пошук бозона Хіггса – це ще квіточки. З поточними технологіями сподіватися якось знайти докази існування цієї частки немає сенсу. А якщо гравітація пов'язана не з частинками, а з тканиною простору — можливо, вона може переміщатися і швидше за швидкість світла. Може, її швидкість взагалі нескінченна, і вона є завжди і скрізь.
Як тоді можна провести якийсь експеримент із гравітацією? Тим більше, що в нашому розпорядженні поки що тільки Земля?
Ну, ми, звичайно, могли б багато дізнатися, якби Сонце зникло. Це дало б багато нових даних. Що станеться швидше, сход Землі з орбіти чи «вимикання» неба? Чи гравітація рухається з якоюсь своєю швидкістю, і буде певний інтервал між моментом, коли все порине у темряву, і моментом, коли астрономи помітять, що ми рухаємось у неправильному напрямку? Але такий експеримент також (на щастя?) за межами наших можливостей.
Сер Ісаак Ньютон, який створив першу складну теорію гравітації, переконаний, що швидкість гравітації нескінченна. І базував на цьому усі свої розрахунки. Він першим показав, що рух об'єктів на Землі та небесних тіл можна пояснити одними й тими самими принципами. І навіть передбачив, що Земля має бути плеската на полюсах. Втім, його висновки щодо руху тіл у Сонячній системі трохи не відповідали реальним рухам небесних тіл: він не підозрював про теорію відносності. До відкриттів Ейнштейна залишалося понад дві сотні років.
З іншого боку, Альберт Ейнштейн, як і належить, вважав, що гравітація рухається зі швидкістю світла. Він сказав би, що люди одночасно й помітять зникнення Сонця, і відчують різкий поштовх, який надішле Землю по прямій кудись у глибини Всесвіту.
Теорія гравітації Ейнштейна, запропонована в 1920-х роках, більш точно передбачає шлях планет навколо Сонця, ніж розрахунки Ньютона і Лапласа. І робить більш точні пророцтва, багато з яких вже було підтверджено. Отже, чи можемо ми зробити висновок, що Ейнштейн мав рацію?
Ні, не можемо. Як вже було наочно продемонстровано з класичною механікою Ньютона, можна бути правим у деталях, але невірним глобально. Якщо теорія відмінно пояснює один аспект Всесвіту (рух найближчих до нас небесних тіл), це не означає, що він непогрішний у всьому.
І ми, власне, це вже знаємо: теорія відносності несумісна з квантовою фізикою. Цілком робочі формули електродинаміки не поєднуються з теорією гравітації Ейнштейна. Ми використовуємо їх окремо, воліючи не помічати цей факт, але паралельно вже майже сто років найкращі уми світу б'ються, намагаючись створити « Теорію всього» і якось помирити ці різні моделі. Найбільше часу «теорії всього» приділив сам Ейнштейн. Він присвятив спробам її створення більшу частину свого життя, але універсальних формул у результаті так і не знайшов.
Отже зараз ми знаємо, що теорії Ейнштейна, як і теорії Ньютона, поки що не можуть дати нам відповідь на всі питання. І якщо ми хочемо дізнатися швидкість поширення гравітації, нам потрібно вигадати спосіб її безпосереднього вимірювання. Оскільки ми не можемо просто «вимкнути» Сонце на кілька хвилин, доведеться знайти інший метод.
Найважливіше у теорії гравітації Ейнштейна — те, що він зрозумів, що знайому нам силу можна пояснити спотворенням самої тканини простору: що більше спотворення, то вище гравітація. Згідно з його теоріями, у якомусь сенсі простір податливий, як поверхня батута, що спотворюється, коли на нього настає дитина. Більше того: якщо та сама дитина стрибає на батуті, її поверхня змінюється, вона рухається вгору і вниз.
Так само і простір може «підстрибувати вгору і вниз» у плані зміни гравітації. Ці просторові спотворення називаються «гравітаційні хвилі», і, згідно з Ейнштейном, вони поширюватимуться зі швидкістю гравітації. Отже, якщо ми зможемо виявити гравітаційні хвилі, які стискають і «розпрямляють» простір, ми, можливо, зможемо виміряти швидкість гравітації.
Спотворення самої тканини простору — звичайно, не виключення Сонця, але це все одно виходить далеко за межі сучасних технологій. На щастя тут нам допомогла сама природа.
Вимірювання гравітаційних хвиль
Саме існування гравітаційних хвиль було під великим питанням ще з часів Пуанкаре, який запровадив цей термін. Всі розрахунки Ейнштейна, що підхопив його ідею, сходилися, а теорія відносності отримала експериментальне підтвердження завдяки затемненню Сонця в 1919, що показало серйозне викривлення світла. Тому більшість вчених вважали, що хвилі є. Залишалося лише їх виявити.
Проблема в тому, що гравітація — найслабша з усіх чотирьох фундаментальних сил, у мільйони разів слабша за інші. Падіння людини з кілометрової висоти зупиняє невеликий шар атомів асфальту, пов'язаних через кварки та глюони. Виявлення дрібних коливань гравітації – завдання непросте. Щоб наші прилади хоч щось засікли, коливання мають бути викликані чимось на зразок чорної діри. А краще — двох чорних дірок.
Випускаючи невелике гравітаційне випромінювання, вони поступово втрачатимуть енергію та зближуватимуться. А коли вони увійдуть у обрій подій один одного, процес прискориться, і дві чорні дірки зіллються в одну. Це різко зменшить їх загальну кількість енергії та загальну масу та звільнить інше у вигляді гравітаційних хвиль. Маса нової чорної діри, за розрахунками, має бути десь на 5% меншою, ніж сума мас двох початкових чорних дірок. У процесі злиття у Всесвіт викидається більше енергії, ніж цей час виділяють всі видимі нам зірки.
Хоча гравітаційне випромінювання було передбачене Ейнштейном ще 1916 року, вченим знадобилося понад п'ятдесят років, щоб якось його засікти. У 1974 році астрономами було знайдено систему з подвійним пульсаромподвійним пульсаром, і з її допомогою за кілька років ми підтвердили факт існування гравітаційних хвиль. Загальна теорія відносності передбачала, що дві нейтронні зірки випромінюватимуть гравітаційні хвилі під час руху навколо загального центру мас, поступово зближуючись, і зменшення орбітальної енергії знайденої системи точно відповідало передбаченням теорії Ейнштейна. За 10 років орбітальний період системи зменшився на 76 мільйонних секунд на рік.
Тобто ми математично підтвердили, що два космічні об'єкти здатні з якоюсь періодичністю випромінювати гравітацію, викликаючи коливання тканини простору. Але щоб виявити самі ці спотворення, і навіть швидкість їх поширення, довелося 8 років будувати інший експеримент.
1994-го для пошуку гравітаційних хвиль у США почали будувати детектор LIGO — дві однакові гігантські труби завдовжки по 4 кілометри, поєднані одна з одною під кутом 90 градусів, утворюючи букву «Г». Далі через трубу пускався лазер, і, використовуючи комбінацію дзеркал і знаючи частоту променя лазера, вимірювалася різниця в довжині труб (різниця у відстані, пройденому кожним променем, створювала б різницю фаз між ними).
Оскільки труби «дивляться» в різних напрямках, гравітаційні хвилі при проходженні вплинуть на довжину труб по-різному, дозволяючи вченим засікти ці коливання (а також, можливо, засікти їхню швидкість, тобто швидкість поширення гравітації в просторі).
Таких гігантських детекторів у США було побудовано два: на півночі та на півдні країни, рівно за 3000 кілометрів один від одного. Дистанцію теж було обрано не випадково: передбачалося, що якщо хвилі рухатимуться зі швидкістю світла, це дозволить детекторам засікти їх із різницею рівно 10 мілісекунд.
Лабораторії було запущено у 2002 році. І збирали дані щодня до 2010 року. Слідів гравітаційних хвиль виявлено не було.
2010-го розпочався процес покращення детекторів — встановлення нових лазерів та обладнання, щоб у 4 рази підвищити чутливість сенсорів. Це коштувало $220 млн і тривало 5 років. Зате майже відразу після включення пристрій виявив свою першу гравітаційну хвилю, що пройшла через «руки» інтерферометрів. 14 вересня 2015 року було засічено дві чорні діри близько 30 сонячних мас кожна, які злилися на відстані близько 1,3 мільярда світлових років від Землі, судячи з характеру згасання хвиль.
У червні 2016 року — ще один сигнал, злиття двох чорних дірок у 14 та 7,5 рази масивніше Сонця.
У січні 2017 року — злиття двох чорних дірок у 31 та 19 разів масивніше Сонця.
У серпні 2017 року — злиття двох чорних дірок у 30 та 25 разів масивніше Сонця.
Загалом за час своєї роботи на даний момент лабораторії засікли вже кілька десятків злиттів. Майже завжди — двох чорних дірок, хоча є також злиття чорних дірок із нейтронними зірками.
Перше офіційне підтвердження існування гравітаційних хвиль! Не просто випромінювання, як 1974-го, а саме хвиль! Дуже хвилюючий момент історії астрономії. Але все-таки, ви сміятиметеся, повної відповіді на питання про швидкість гравітації він нам так і не дав. Для цього потрібний був інший експеримент.
Справа в тому, що сигнал на інтерферометрах триває частки секунди. Може здатися, що це дуже мало, але при вимірі швидкостей, близьких до швидкості світла, це зовсім не точність, яка потрібна. Відстань у 3000 км між двома лабораторіями давала різницю в 10 мілісекунд, як і передбачалося, але через найменші перешкоди (якими могли служити навіть далекі підземні поштовхи в іншій частині континенту) часто різниця була помітно більшою. Було видно, що гравітація близька до швидкості світла, але наскільки близька? 70%, 90%?
Як можна виміряти ще точніше?
Спосіб є. Злиття двох чорних дірок — не єдина подія галактичного масштабу. Великі гравітаційні хвилі можуть бути викликані зіткненнями нейтронних зірок. Надщільних ядер, що залишаються після спалахів наднових. Нейтронні зірки схожі на чорні дірки, тільки вони трохи менші і трохи світліші. Крім того, коли нейтронні зірки стикаються одна з одною, вони не тільки дають гравітаційне випромінювання, але й випромінюють потужний спалах світла, який ми можемо спостерігати.
Щоб визначити швидкість гравітації, вченим треба було побачити злиття двох нейтронних зірок. І подивитися, яка затримка буде між моментом виявлення світла від них та появою сигналу хвиль гравітації на детекторах LIGO.
17 серпня 2017 року астрономи нарешті здобули свій шанс. Детектори зафіксували якісь дуже дивні, тривалі хвилі. Усі попередні події тривали не більше секунди, а тут сигнал тривав понад 100 секунд. Частота коливань була в сотню разів вищою – об'єкти оберталися з неймовірною швидкістю, видаючи по тисячі циклів на секунду. Якщо раніше сигнали виходили від пар чорних дірок, що зливаються разом, то тут це були нейтронні зірки, в 1,1 і 1,6 рази масивніші за Сонце, що зчепилися одне з одним.
А за дві секунди орбітальні обсерваторії засікли гамма-випромінювання (яке є формою світла), що виходить з того ж місця в космосі — галактики, розташованої на відстані 130 мільйонів світлових років від нас. Пройти таку дистанцію і прийти в один і той же момент! Жодних сумнівів тут уже не залишалося. Нарешті, через 350 років після перших розрахунків Ньютона, астрономи знайшли те, що потрібно для точного визначення швидкості гравітації.
Про цю роботу англійською можна почитати тут. Але суть зрозуміла: гравітація і світло дійшли до Землі з інтервалом за дві секунди один від одного, при тому що вони подорожували близько 130 мільйонів років. А це означає, що вони мають однакову швидкість. Похибки майже немає (2 секунди від 130 млн років – це 4,8 · 10-16). Ми не знаємо — можливо, гравітація при зіткненні нейтронних зірок починає розходитись трохи раніше за світло, або світло чимось блокувалося, або, найімовірніше, причина невеликої затримки в різниці між датчиками.
Як би то ні було, у нас є відповідь. Гравітація і світло рухаються з одинаковою швидкістю, що підтверджується точними вимірами. Це ще раз говорить нам про вірність теорії Ейнштейна і натякає на якусь глибоку істину про природу простору. Тепер вченим залишається поняти, чому ці два дуже різних фізичних явища — світ і гравітація — мають одинакову швидкість.
Фото: GOOGLE.COM