Физика времени

Чернин Артур Давидович

Гравитационные волны — это волнообразные колебания пространства-времени. Они придают ему дополнительную, бегущую волнами искривленность. Эти волны распространяются по четырехмерному миру, подобно тому как упругие звуковые колебания распространяются в воздухе. Еще ближе сходство с электромагнитными волнами: и те и другие в действительности не требуют для своего распространения никакой среды. Электромагнитные волны могут распространяться и в пустоте. А для гравитационных волн «средой» служит само пространство-время: это как бы рябь, бегущая по пространству-времени.

И электромагнитные, и гравитационные волны распространяются с предельной скоростью — со скоростью света. Электромагнитные

волны порождаются движением электрических зарядов. А гравитационные волны возникают от перемещения тяготеющих масс. При таких перемещениях изменяется сила тяготения, искривляющая пространство-время. Это изменение и передается, переносится гравитационными волнами — они «отрываются» от движущихся масс и расходятся по четырехмерному миру, как круги на воде от брошенного камня.

Конечно, сравнение гравитационных волн с известными нам волновыми явлениями нельзя понимать слишком буквально. Подобие заходит не так уж далеко. Это волны, как и другие волны в природе, но у них немало особенного, того что есть только у них. В самом деле — это распространяющиеся колебания пространства-времени.

Гравитационные волны пока не удается наблюдать и регистрировать в эксперименте. Очень трудно или даже просто невозможно создать сколько-нибудь ощутимые колебания пространства-времени с помощью лабораторных установок, приводя в движение какие-то, даже пусть и очень массивные, тела. Экспериментаторы надеются прежде всего на гравитационные волны космического происхождения. В последние 10—15 лет для этого строят специальные приемные устройства — гравитационные антенны. Это системы достаточно массивных тел, которые должны испытывать определенного рода деформацию, когда на них падает гравитационная волна. Деформации — исключительно слабые — измеряются датчиками, укрепленными на этих телах. Наиболее чувствительную установку такого рода построили недавно физики Московского университета. Имеются интересные проекты гравитационных антенн совсем особого рода, использующие космические корабли, находящиеся в свободном полете, или даже естественные астрономические тела. Гравитационной антенной может служить, например, система Земля—Луна, если научиться измерять очень слабые изменения в движении этих двух тел.

Что же касается источников гравитационных волн, то ими могут служить мощные космические взрывы, сопровождающиеся перемещением значительных масс. Их могут излучать и просто двойные звездные системы - связанные пары звезд, каждая из которых вращается вокруг общего центра масс системы. Особенно энергично должны излучать тесные пары очень плотных звезд. Например, две нейтронные звезды*), образующие пару с размером всего в десяток-другой километров. В этом случае орбитальное движение масс, очевидно, должно быть очень быстрым. А потому велика и интенсивность излучения гравитационных волн.

_{*) О нейтронных звездах мы уже упоминали, когда говорили в главе 3 о пульсарах — вращающихся нейтронных звездах.}

Одна из двойных систем такого рода ведет себя, судя по наблюдениям, именно так, как если бы она действительно интенсивно излучала гравитационные волны. Об этом судят по характеру орбитальных движений звезд в паре. Так как на излучение гравитационных волн тратится часть энергии орбитального момента движения, меняется и сам вид орбит — они скручиваются спиралью. Такое скручивание орбит, правда, довольно медленное, и было замечено у этой системы. Если наблюдения подтвердятся (а пока что имеются только предварительные данные), можно будет говорить об экспериментальном открытии гравитационных волн.

Конечно, такое открытие кажется все же несколько косвенным. Лучше всею было бы уловить их на гравитационных антеннах. Можно надеяться, что это и

в самом деле произойдет в недалеком будущем.

Подумаем теперь не о реальном, а о некотором мысленном эксперименте. Как вели бы себя часы, оказавшиеся в поле гравитационной волны? Можно сказать, что на них действует переменное, периодически меняющееся поле тяготения. Согласно общему закону (см. главу 8), это заставляло бы часы периодически замедлять свой ход, когда на них накатывались бы один за другим «валы» — максимумы тяготения в волне*). Сам ход часов оказался бы при этом волнообразным — мы зарегистрировали бы таким образом волны времени.

_{*) Считаем, что часы закреплены в данном месте и волна не приводит их в движение.}

Поэт Державин писал:

«Река времен в своем стремленьи Уносит все дела людей И топит в пропасти забвенья Народы, царства и царей.»

Если время — река, то в духе этой метафоры можно сказать, что гравитационные волны — это волны на реке времени.

Гравитон

Еще в ЗО-е годы советский физик М. П. Бронштейн смело применил к описанию гравитационных волн квантовую теорию. Он исходил из сходства гравитационных волн с электромагнитными волнами, со светом. Двойственная, корпускулярно-волновая природа света была уже установлена. Не могут ли и гравитационные волны обладать такой же двойственностью и обнаруживать как волновые, так и корпускулярные свойства?

Это предположение полностью соответствует духу квантовой теории. И его действительно удалось доказать теоретически. Бронштейн изучал волны не слишком большой амплитуды, в которых колебания искривленности пространства-времени остаются слабыми. Оказалось, что при подходящих условиях гравитационные волны действительно могут вести себя как поток частиц, квантов этих волн. Кванты гравитационных волн получили название гравитонов.

Гравитоны очень похожи на фотоны. Как и фотоны, они движутся всегда и везде со скоростью света. Их масса связана с движением: масса покоя, то есть та масса, которой частица обладает в покое, у них отсутствует.

Различие же между гравитоном и фотоном проявляется, прежде всего, в их взаимодействии с другими частицами. Фотон взаимодействует только с электрически заряженными частицами. Гравитон же взаимодействует, так сказать, со всем и вся без исключения — он представитель всемирного тяготения.

Но вернемся к сходству с фотоном — это сейчас для нас особенно важно. И вот что здесь замечательно: гравитон, как и фотон, обладает энергией. Ее легко оценить. Согласно теории, она равна постоянной Планка, деленной на период волны. Неслучайно, конечно, связь между периодом и энергией имеет тот же вид, что и соотношение неопределенностей «время-энергия»: там тоже энергия (ее неопределенность) получается делением постоянной Планка на время (его неопределенность).

В какой же тесный узел связаны здесь время, пространство, энергия и квантовые эффекты! Выходит, что волны пространства-времени сами обладают энергией. Кстати, для слабых гравитационных волн их энергия, то есть энергия поля тяготения, вычисляется вполне однозначным образом, что, как мы упоминали, сделать в общем случае не удается. Эта энергия может оказаться собранной в сгустки — гравитоны, которые по всем признакам ничуть не хуже других микрочастиц.

Гравитон — первый плодотворный результат будущего синтеза двух великих теорий. В нем отражается нечто очень значительное, может быть, самое что ни на есть фундаментальное в физическом мире.