Параллельные миры - Каку Митио - Страница 69

Прямая проверка этих теорий может оказаться чересчур сложной, однако косвенная проверка может оказаться в пределах нашей досягаемости. Иногда мы забываем, что астрономия во многом основана на косвенных методах. К примеру, никто никогда не был на Солнце или других звездах, однако же нам известно, из чего состоят звезды, а выяснили мы это при помощи света, испускаемого этими светящимися объектами. Анализируя оптический спектр звездного света, мы узнали, что звезды состоят в основном из водорода и некоторого количества гелия. Подобным образом, никто никогда не видел черной дыры: в сущности, черные дыры невидимы и их нельзя наблюдать непосредственно. Однако мы можем получить косвенное доказательство их существования путем поисков аккреционных дисков и вычисления массы этих мертвых звезд.

Во всех этих экспериментах мы ведем поиски «эхо-сигналов», исходящих от звезд и черных дыр, с целью определить их природу. Подобным образом и одиннадцатое измерение может находиться вне нашей прямой досягаемости, но новые революционные инструменты, имеющиеся в нашем распоряжении, делают реальными потенциальные способы проверки теории инфляционного расширения и теории суперструн.

Простейшим примером переворота в исследованиях теории относительности, произведенного спутниками, является Глобальная система навигации и определения положения (англ. Global Positioning System, или GPS), 24 спутника которой беспрерывно вращаются вокруг Земли, испуская точные синхронизированные сигналы, которые позволяют определить положение объекта с невероятной точностью. Эта глобальная система стала незаменимым элементом в навигации, торговле, а также при проведении военных действий. Все — от компьютеризованных карт в автомобилях до крылатых ракет — основано на возможности синхронизации сигналов с точностью до 50 миллиардных долей секунды для определения положения объекта на Земле с точностью до 14 метров. Но для того, чтобы обеспечить столь высокую точность, ученым необходимо вычислить небольшие поправки к законам Ньютона согласно теории относительности, которая утверждает, что при движении спутников произойдет небольшое смещение частоты радиоволн. В сущности, если мы неосмотрительно пренебрежем поправками согласно теории относительности, то часы на спутниках глобальной системы будут спешить на 40 миллионных долей секунды в день и на данные системы полагаться будет нельзя. Таким образом, теория относительности асолютно необходима для торговли и военных. Физику Клиффорду Уиллу как-то довелось провести инструктаж генерала ВВС США на тему необходимых поправок для глобальной системы навигации и определения положения, исходящих из теории относительности Эйнштейна. Позднее Уилл заметил, что теория относительности достигла стадии зрелости, раз уже даже высшие офицеры Пентагона нуждаются в инструктаже по теории относительности.

До сих пор все, что известно об астрономии, приходило к нам в форме электромагнитного излучения, будь это звездный свет, радио- или микроволновые сигналы из глубин космоса. Сегодня ученые вводят первое новое средство для научных открытий, а именно гравитацию. «Каждый раз, как мы смотрели на небо по-новому, мы видели новую вселенную», — говорит Гари Сандерс из Калифорнийского технологического института, заместитель директора проекта гравитационных волн.

Впервые о гравитационных волнах заговорил Эйнштейн в 1916 году. Представьте, что случилось бы, если бы Солнце исчезло, Припоминаете аналогию шара для игры в боулинг, утопающего в матрасе? Или еще лучше — в батуте? Если этот шар внезапно убрать, то батут немедленно возвратится в свое первоначальное состояние, что создаст волны, бегущие вовне по батуту. Если шар для боулинга заменить Солнцем, то мы увидим, что гравитационные волны движутся с определенной скоростью, а именно со скоростью света.

Хотя позднее Эйнштейн нашел точное решение для своих уравнений, допускавших существование гравитационных волн, он отчаялся увидеть при жизни подтверждение своего прогноза, Гравитационные волны чрезвычайно слабы. Даже ударные взрывные волны, образующиеся при столкновениях звезд, недостаточно сильны, чтобы их можно было измерить в ходе проводимых в настоящее время экспериментов.

Пока что существование волн гравитации подтверждено лишь косвенно. Два физика, Рассел Хале и Джозеф Тейлор мл., выдвинули следующую гипотезу: если изучить двойные звездные системы, в которых вращающиеся звезды движутся одна за другой в космическом пространстве, то окажется, что каждая звезда испускает поток гравитационных волн, похожих на волны, образующиеся при размешивании патоки. При этом орбита обеих звезд постепенно становится все меньше и меньше. Эти ученые изучили смертельную спираль двух нейтронных звезд, постепенно приближающихся друг к другу. Объектом их исследования стала двойная система нейтронных звезд PSR 1913+16, которая находится на расстоянии около 16000 световых лет от Земли. Звезды этой системы совершают полный виток одна вокруг другой за 7 часов 45 минут, и в этом процессе в космическое пространство испускаются волны гравитации.

Применив теорию Эйнштейна, эти ученые обнаружили, что две рассматриваемые звезды должны сближаться друг с другом на один миллиметр за каждый полный виток. Хотя такое расстояние фантастически мало, в год оно увеличивается почти до метра, в то время как орбита в 700 000 км медленно уменьшается в размерах. Эта новаторская работа показала, что уменьшение орбиты в точности соответствует предсказаниям теории Эйнштейна на основе гравитационных волн. (В сущности, уравнения Эйнштейна предсказывают, что звезды в конце концов столкнутся через 240 миллионов лет вследствие потери энергии, испускаемой в космос в виде гравитационных волн.) За свою работу Рассел Хале и Джозеф Тейлор мл. получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году.

Мы можем также пойти в обратном направлении и использовать этот точный эксперимент, чтобы измерить, насколько точна сама общая теория относительности. При проведении вычислений в обратном порядке выясняется, что общая теория относительности верна как минимум на 99,7 %.

Чтобы получить полезную информацию о ранней вселенной, необходимы прямые наблюдения гравитационных волн. В 2003 году первый действующий детектор гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, или лазерная обсерватория-интерферометр гравитационных волн) наконец был запущен, реализовав тем самым давнюю мечту прощупать тайны вселенной посредством гравитационных волн. Целью детектора LIGO является регистрация космических событий, которые происходят слишком далеко или имеют слишком маленькие масштабы, чтобы их можно было наблюдать при помощи наземных телескопов. Это, скажем, такие события, как столкновения черных дыр или нейтронных звезд.

Обсерватория LIGO состоит из двух гигантских лазерных установок, одна из которых расположена в Хэнфорде (штат Вашингтон), а другая в Ливингстоне (штат Луизиана). Каждая из установок снабжена двумя трубами по 4 км длиной каждая, которые образуют гигантскую букву L. Внутри каждой трубы включается лазер. В углу буквы L оба лазерных луча сталкиваются, и происходит интерференция их волн. Обычно в отсутствие каких-либо возмущений две волны синхронизируются и взаимоуничтожаются. Но если в устройство попадает даже малейшая гравиволна, образовавшаяся при столкновении черных дыр или нейтронных звезд, то одно плечо уменьшается или увеличивается иным образом, нежели второе. Такого возмущения достаточно, чтобы разрушить хрупкий баланс двух лазерных лучей — они не взаимоуничтожаются, а создают характерную картину интерференции волн, которую можно подвергнуть детальному компьютерному анализу. Чем больше гравитационная волна, тем больше несовпадение между двумя лазерными лучами и тем больше интерференция.