Вопрос о том, с какой скоростью распространяется гравитация, веками оставался предметом ожесточенных научных споров и фундаментальных исследований. В видеоролике научно-популярного канала Fermilab подробно разбирается эволюция физической мысли от концепции мгновенного дальнодействия Исаака Ньютона до пространственно-временных искажений Альберта Эйнштейна. Благодаря прорывному астрономическому открытию, исследователям наконец удалось получить точный экспериментальный ответ, измерив скорость гравитационных волн во Вселенной.
🏛️ Вековое противостояние: Ньютон против Эйнштейна 0:37
Гравитация кажется нам вечной и неизменной силой, надежно удерживающей вместе целые галактики. Однако история её теоретического осмысления полна радикальных поворотов. В истории науки долгое время доминировали две противоположные концепции:
- Теория мгновенного дальнодействия Ньютона (1687 год): великий физик полагал, что гравитационное взаимодействие передается в любую точку Вселенной абсолютно мгновенно, то есть с бесконечной скоростью.
- Общая теория относительности Эйнштейна (1915 год): Эйнштейн предложил принципиально иной взгляд, согласно которому гравитация — это не невидимая нить, а динамическое искажение самой ткани пространства и времени.
По версии Эйнштейна, любые изменения формы или положения массивных космических тел вызывают деформации, которые волнообразно распространяются по космосу. Данный феномен получил название гравитационного излучения. Ученый постулировал, что скорость этих волн должна быть строго идентична скорости света.
Как отмечает ведущий канала Fermilab, Исаак Ньютон и Альберт Эйнштейн по праву считаются главными претендентами на титул самых влиятельных физиков всех времен. Тем не менее, физика является эмпирической наукой, поэтому авторитет исследователей не имеет значения до тех пор, пока гипотеза не подтверждена прямыми практическими измерениями.
🌀 Охота за невидимым: как устроена обсерватория LIGO 2:11
Чтобы измерить скорость гравитации, ученым сначала требовалось научиться регистрировать сами гравитационные волны, что оказалось невероятно трудной задачей. Проходя сквозь объекты, гравитационная волна циклически искажает их физические пропорции: сначала уменьшает высоту и увеличивает ширину, а затем совершает обратное действие. Альберт Эйнштейн предсказал существование этих колебаний еще в 1916 году, однако человечеству потребовался целый век, чтобы разработать убедительную методологию и создать необходимые технологии для их обнаружения.
Гравитационные волны порождаются любым движущимся массивным объектом, но в обычных условиях они ничтожно малы. Единственный реальный способ зафиксировать их — наблюдать за экстремально быстрыми циклическими движениями тел, обладающих колоссальной массой при минимальном физическом объеме. Для этой цели идеально подходят старые, выгоревшие массивные звезды в двойных системах:
- Бинарные черные дыры: объекты с массой в несколько солнц, имеющие при этом диаметр всего около 10 километров. Находясь в паре, они могут сближаться на критическое расстояние, вращаться на субсветовых скоростях с колоссальным ускорением и генерировать мощное гравитационное излучение.
- Нейтронные звезды: сверхплотные остатки погибших светил, которые уступают черным дырам в массе, но несколько превосходят их по размерам, также выступая отличным источником волн.
Поскольку подобные объекты находятся в миллиардах световых лет от Земли, доходящие до нас колебания пространства оказываются микроскопическими. Для их фиксации в 1990-х годах физики начали строительство специализированных комплексов LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория).
Каждый такой комплекс состоит из двух перпендикулярных полых вакуумных труб длиной по 4 километра, образующих букву L. Лазерный луч направляется по трубе к зеркалу и отражается обратно на детектор. Оптическая система LIGO настолько точна, что способна улавливать изменения длины плеч лазера на величину, составляющую всего 1/1000 от диаметра протона.
В США развернуты два таких комплекса — в штатах Луизиана и Вашингтон, а аналогичные интерферометры построены в Европе и Японии. Наличие нескольких удаленных друг от друга точек позволяет ученым методом триангуляции вычислять точное положение источника сигнала на небесной сфере. В 2015 году исследователи совершили исторический прорыв, впервые зафиксировав гравитационные волны от столкновения двух черных дыр на расстоянии 1.3 миллиарда световых лет.
⏱️ В поисках идеальной методики измерения скорости 5:56
Сам факт фиксации пространственных колебаний чрезвычайно важен, но он не дает автоматического ответа на вопрос о скорости их распространения. Базовую информацию можно извлечь, анализируя время прохождения волны через разные детекторы на планете. Расстояние между двумя американскими обсерваториями LIGO составляет 3000 километров (около 1900 миль). Волна накрывает их последовательно, и по временной задержке можно рассчитать скорость гравитации. Однако эта разница во времени сильно зависит от текущей пространственной ориентации Земли в момент прохождения волны, что лишает данный метод абсолютной точности.
Для идеального и неоспоримого измерения ученым требовалось точно знать момент времени, в который произошло космическое столкновение. Но поскольку сливающиеся черные дыры оптически абсолютно невидимы, зафиксировать точную вспышку традиционными методами астрономии было невозможно.
🌌 Триумф мультимессенджерной астрономии и окончательный вердикт 6:50
Решение проблемы подсказала сама Вселенная. В отличие от черных дыр, жесткое столкновение двух нейтронных звезд порождает не только мощные гравитационные волны, но и колоссальный выброс энергии в электромагнитном диапазоне — ярчайшую вспышку света, которую можно зафиксировать обычными телескопами.
Осенью 2017 года астрономическому сообществу улыбнулась уникальная удача. Наземные детекторы Земли зарегистрировали прохождение гравитационной волны, а спустя всего две секунды космические орбитальные телескопы зафиксировали короткий импульс жесткого гамма-излучения. Последующий перекрестный анализ подтвердил, что оба сигнала исходили из одного источника — эллиптической галактики NGC 4993 в созвездии Гидры, удаленной от нас на 144 миллиона световых лет.
Поскольку скорость света известна, физики рассчитали, что космическая катастрофа произошла 144 миллиона лет назад. Оба сигнала — световой и гравитационный — были испущены практически одновременно и путешествовали сквозь космический вакуум на протяжении 144 миллионов лет, что эквивалентно примерно $4.5 \times 10^{15}$ секунд. Тот факт, что они достигли приборов Земли с разницей всего в две секунды, позволяет с ничтожно малой погрешностью утверждать: скорость гравитации в точности равна скорости света. Расхождение между ними составляет менее одной квадриллионной доли.
Небольшая двухсекундная задержка прибытия света имеет простое и логичное физическое объяснение:
Гравитационное излучение генерируется непрерывно и достигает своего апогея непосредственно перед самим столкновением, когда массивные объекты вращаются по орбите с максимальной скоростью. Физическая же вспышка света происходит чуть позже — непосредственно в момент жесткого соударения звездных масс.
Такой комплексный подход, сочетающий одновременный сбор информации от принципиально разных типов детекторов (оптических приборов и гравитационных интерферометров), получил в науке название «мультимессенджерная астрономия». Эксперимент полностью подтвердил гениальное теоретическое предсказание Эйнштейна, сделанное на заре XX века. Ведущий Fermilab признается, что хотя равенство скоростей света и гравитации всегда имело под собой глубокий теоретический смысл, проведение прямого и неоспоримого практического измерения приносит исследователям гораздо большее научное удовлетворение.
