У пошуках хвиль, не знайдених Ейнштейном

В Італії, неподалік від Пізи, скоро почнеться масштабний експеримент.

Якщо він матиме успіх, учені вперше спостерігатимуть на власні очі, як збувається одне з найвизначніших передбачень Альберта Ейнштейна.

Якщо ж він провалиться, деякі закони фізики, можливо, доведеться переглянути.

У серці експерименту – пристрій під назвою "удосконалений VIRGO", який спробує дослідити деякі з найбільш невловимих астрофізичних явищ.

"Можливо, ми вперше маємо можливість виявити гравітаційні хвилі на Землі", – пояснює д-р Франко Фрасконі з Пізанського університету, член міжнародної експериментальної групи, що працює з VIRGO.

"Це чітко підтвердить, що сказане Ейнштейном 100 років тому – абсолютна правда".

25 листопада 1915 р Альберт Ейнштейн представив Прусській академії наук остаточну версію своїх рівнянь поля.

Вони лягли в основу його Загальної теорії відносності, яка є стовпом сучасної фізики, що докорінно змінив наше розуміння простору, часу та гравітації.

Завдяки цій теорії нам вдалося так багато осягти розумом – від розширення Всесвіту до руху планет та існування чорних дір.

Але Ейнштейн також висунув ідею про існування гравітаційних хвиль, по суті – сплесків енергії, що викривляють саму тканину простору-часу.

Певною мірою, їх можна уявити як хвилі, що розходяться, коли ви кидаєте камінь у ставок.

Будь-який предмет, що має масу, мусить продукувати їх, коли рухається. Навіть ми з вами. Але чим більша маса і чим значніший рух, тим більші й хвилі.

Ейнштейн вважав, що Всесвіт кишить такими хвилями.

Хвилі на тканині простору-часу

Та хоча астрономи мають непрямі докази їхнього існування, побачити ці космічні цікавинки поки що не вдалося.

Фізик д-р Тобі Вайзмен з Імперського коледжу Лондона пояснює: "Недивно, що ми досі не бачили гравітаційних хвиль безпосередньо. Гравітація – найслабша з усіх сил, і навіть потужні астрофізичні джерела випромінюють лише слабкі гравітаційні хвилі".

І все ж таки, вчені в Італії скоро сподіваються їх знайти. Але це буде непросто.

Перший етап експерименту VIRGO розпочався у 2007 р. – і нічого не виявив. Не більше успіху мав і його американський відповідник LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія).

Але обидва пристрої-інтерферометри наразі проходять дороге удосконалення, і науковці сподіваються, що завдяки значному підвищенню їхньої чутливості двері до успіху скоро відкриються.

"Технології, необхідні для виявлення гравітаційних хвиль, стали доступними лише сьогодні, – пояснює д-р Фрасконі. - В останні десять років ми розробили надзвичайно витончені технології, що дозволили побудувати саме такий інтерферометр".

Мета науковців – зафіксувати крихітні викривлення, що виникають, коли гравітаційні хвилі проходять через Землю.

Вони надіються "зловити" ті хвилі, початок яким покладають бурхливі космічні події, такі як вибухи зірок чи зіткнення чорних дір.

Детектор VIRGO складається з двох ідентичних трикілометрових тунелів, з’єднаних у формі гігантської букви Г.

Вчені згенерують лазерний промінь, а тоді розщеплять його надвоє, і одну половину спрямують одним тунелем, а другу – іншим.

У кінці кожного тунелю стоятимуть дзеркала, які багато разів переганятимуть промені туди-сюди, поки ті знову з’єднаються.

Може здатися, що це складно, але експеримент покладається на зручну властивість лазерів – те, що вони є світловими променями, хоч і дуже інтенсивними, а світло – це хвиля.

Уявіть собі, що в океані стикаються дві хвилі, одна на підйомі, а друга – на спаді. Що станеться? Вони нейтралізують одна одну.

Так само і в цьому експерименті. Якщо лазерні хвилі проходять по двох тунелях точнісінько ту саму відстань, зустрічаючись, вони нейтралізують одна одну, і сигнал гасне.

Однак якщо через тунель пройде гравітаційна хвиля, вона ледь уловимо викривить своє оточення і змінить довжину тунелю на крихітну величину – частку від розміру атома.

З урахуванням напрямку руху хвиль у просторі й часі, це означатиме, що один тунель розтягнеться, а другий стиснеться; відповідно, один промінь подорожуватиме трохи довше, ніж другий.

Як наслідок, розщеплені промені зустрінуться у різних фазах руху і замість нейтралізації відбудеться інтерференція, у разі чого прозвучить сигнал.

Учені докладають максимум зусиль, аби захистити обладнання від будь-яких зовнішніх впливів, типових для життя на Землі, від транспортного шуму до землетрусу.

"Ми стараємось побудувати прилад, куди не проникне жодний потенційний шум, – каже д-р Фрасконі. - Він стоїть на першому поверсі, а перший поверх зазвичай вібрує. Найважливіше і найскладніше завдання – ізолювати дзеркала. Без цього у VIRGO нічого не вийде. Від початку ми витратили багато часу на розробку багатоетапного маятника, який би ізолював дзеркала від сейсмічного шуму".

Але навіть якщо в Італії зловлять сигнал, цього буде ще недостатньо, щоб робити остаточні висновки.

Якщо там справді перехоплять гравітаційну хвилю, удосконалений американський інтерферометр LIGO (що має таку ж конструкцію, як VIRGO, але з чотирикілометровими "плечима") теж мусить зафіксувати сигнал. Потенційно це також може зробити інший, менший пристрій у Німеччині.

Удосконалений LIGO уже готовий до роботи, а VIRGO сподіваються запустити до кінця року.

Команди науковців, що співпрацюють над цим проектом, настільки переконані в його успіхові, що пророкують сенсаційне наукове відкриття на 1 січня 2017 р.

Можливо, така точна дата не надто серйозна, але д-р Фрасконі, який уже двадцять років працює в цій галузі, впевнений, що кінець пошуків уже не за горами.

"Просто зараз ми маємо нагальну необхідність зафіксувати на Землі гравітаційні хвилі. Інакше це означатиме, що нам бракує правдивої інформації, що ми не знаємо як слід решту Всесвіту".

Якщо хвилі себе не проявлять, значить експерименти знову доведеться коригувати. У крайньому разі, можливо, фізикам доведеться переглянути теперішні уявлення про функціонування Всесвіту.

І навпаки, якщо хвилі знайдуть, це відкриє новий погляд на космос – погляд, що був би неможливий, якби не Ейнштейн.

Д-р Вайзмен з Імперського коледжу Лондона пояснює: "Виявлення гравітаційних хвиль було б найкращим підтвердженням нашого розуміння загальної відносності. У нас є підстави думати, що вони існують, але ми не можемо бути впевнені, що правильно розуміємо загальну відносність, поки безпосередньо не побачимо ці кола на просторі і часі. Виявлення цих хвиль відкрило б нові шляхи для випробувань загальної теорії відносності, а крім того, дало б нам абсолютно новий інструмент для спостережень за деякими найцікавішими об’єктами у нашому Всесвіті".