Все о пенсиях в России

вчераДепутат Говырин рассказал, как увеличить будущую пенсию

вчераРасчет взносов по договорам долгосрочных сбережений освободят от НДС

вчераГосдума просит установить компенсацию за задержку выплат пенсий «Почтой России»

Человек «поймал» гравитационную волну

Об «открытии века» официально объявили ученые-физики. Большинство людей тут же зададутся вопросом: а что эти волны нам дадут

29.02.2016 15:56

Человек «поймал» гравитационную волну
 

Чтобы дать на это внятный ответ, мы решили обратиться к истории проблемы, над которой не одно десятилетие трудились ученые в России и США

Голос черной дыры

Великие открытия, как говорили мудрецы, всегда тайна и не терпят шума и суеты. Дмитрию Ивановичу Менделееву, как известно, таблица химических элементов «пришла» ночью, во сне. Вот и гравитацион­ная волна пришла не во сне, а на­яву, но кое-что все-таки роднит ее с великим сном Дмитрия Менделеева. Ведь появилась она в тот час, когда очень многие предпочитают спать: случилось это 14 сентября 2015 го­да в 5 часов 51 минуту. Именно в это время датчики суперсистемы LIGO-2, построенной спецами Ка­лифорнийского и Массачусетского технологических институтов в тесной связке с расчетами и экс­периментальными исследованиями ученых из России, уловили колеба­ние, которое в итоге было признано гравитационной волной. Напомним, что существование этих волн предсказывал ещё Альберт Эйнштейн, который, правда, свидетельствовал, что на тот момент зафиксировать их человеку невозможно.

В наши дни ученым это удалось. Причем свое открытие физики по обе стороны Атлантики перепрове­ряли полгода — можно только пред­ставить, каков был соблазн заявить об этом уже в сентябре 2015 года! Но дотерпели до февраля 2016-го, и не зря: критиков у подобных открытий по традиции хватает, и се­годня ученые в России и США, ра­ботавшие над гравитационной «ан­тенной», имеют на порядок больше аргументов для скептиков от науки.

Так что же такое гравитацион­ные волны и каков источник их происхождения?

Учёные предлагают начать ответ на этот вопрос с необходимых для понимания всего произошедшего деталей работы LIGO-2 — много­уровневой системы, аналогов кото­рой в мире нет. Первое, что необхо­димо знать, — она включает в себя два мощных детектора, установ­ленных на расстоянии три тысячи километров друг от друга (располо­жены они в города США Хэнфорд, штат Вашингтон, и Ливингстон, штат Луизиана). Для того чтобы убедиться в достоверности факта гравитационной волны, необходимо, чтобы ее сигнал был зарегистриро­ван на обоих этих детекторах.

Это и случилось 14 сентября. Ученые поясняют, что когда сигнал поступает, то он попадает в банк данных и сравнивается с шаблона­ми, которые представляют собой модели предсказаний теоретиков о том, каким должен быть сигнал гравитационных волн. «Когда ста­ли искать, с каким из шаблонов совпадает сигнал от 14 сентября прошлого года, то выяснили, что он полностью совпадает с шабло­ном сигнала, который приходит из космоса, когда в нем сливаются две черные дыры, — поясняет руководи­тель научной группы по изучению гравитационных волн физфака МГУ имени М.В. Ломоносова, профессор Валерий Митрофанов. — Черные ды­ры в представлении научной мыс­ли — это объекты, которые получа­ются в результате коллапса звезд: на этих звездах выгорает горючее, и они начинают сжиматься до такого состояния, что свет уже не может покинуть этот объект. Такие дыры могут сливаться, перед этим долго вращаясь одна относительно дру­гой и постепенно сближаясь. В этом процессе они теряют энергию, в частности на излучение гравитаци­онных волн. Именно такой процесс и был зафиксирован детекторами LIGO-2».

Физики из МГУ обращают вни­мание на огромную массу двух чер­ных дыр — 29 и 36 солнечных масс. Размеры каждой из них — сотни ки­лометров, и вращались они с часто­той в сотни герц. Можно предста­вить, что это за процесс, если ско­рость вращения объектов при сли­янии достигает половины скорости света! Это позволяет поверить в то, что гравитационную волну удалось уловить даже при том, что столкно­вение черных дыр произошло… 1,3 миллиарда лет назад — именно та­кой «возраст» показали исследова­ния волны.

Королевство сверхточных зеркал

Вместе с тем с теорией черных дыр связаны и сомнения критиков «от­крытия века». По их мнению, никто этих черных дыр не видел и все рассуждения об их взаимодействии невозможно подтвердить. На самом же деле черные дыры давно при­няты научным сообществом. «Это рабочая теория и никто ее не оспа­ривает, — подчеркивает профессор физфака МГУ имени Ломоносова, доктор наук Сергей Вятчанин. — Есть опыты, в том числе в рентге­новском диапазоне, которые кос­венно свидетельствуют о том, что они взаимодействуют так, как мы предполагаем».

Детектор

Схематичный срез одного из подвесов, на которых крепятся каждое из семи больших зеркал LIGO-2, сложнейшего инженерного устройства с системой зеркал, с помощью которого и были зарегистрированы гравитационные волны

Детектор

Зеркальный подвес в натуральную величину

Детектор

Скриншот экрана, на который поступает контрольная информация. Таких экранов в системе LIGO-2 -несколько десятков, а объем информации, который приходится обрабатывать, достигает полтерабайта в сутки

Для фундаментальной науки этих свидетельств вполне достаточ­но. Кроме того, достоверность от­крытия гравитационных волн под­тверждена и другими факторами, которые убедительны для ученых (например, соотношение сигнала к шуму — более 5, а вероятность слу­чайного появления подобного сиг­нала на обоих детекторах — один раз в 200 тысяч лет). У наиболее пытливых умов возникает вопрос: если есть система LIGO-2, значит, есть и LIGO-1 — в чем отличие? Во­прос этот открывает труднейшую специфику работы в сфере фунда­ментальных исследований в целом и в сфере изучения гравитационных волн в частности. Действительно, первый вариант LIGO, сконструи­рованный в США, существовал — именно с него начался поиск гра­витационных волн. Он представлял собой лазерную интерференцион­ную антенну в полтора человече­ских роста, к которой прикреплены два «рукава» по четыре километра каждый. Все устройство оборудо­вано сложнейшей системой зеркал, которые призваны увеличить взаи­модействие света и гравитационной волны (время нахождения света в «плече» становится порядком сред­него периода волны).

Однако ловушки LIGO-1 космос легко «обходил» целых два года: только после существенного ап­грейда (его ориентировочная сто­имость 200 миллионов долларов), который был завершен летом 2015 года и увеличил чувствительность системы в среднем в десять раз, открытие свершилось. Стоит отме­тить, что каждый детектор LIGO -это комплекс более 1000 систем «подстройки», которые выдают по полтерабайта информации в сутки. А еще это почти 500 дополнитель­ных контрольных каналов, которые призваны нейтрализовать посто­ронние факторы — сейсмические, антропогенные, тепловые, шумо­вые и иные воздействия, которые мешают сохранять энергию прини­маемого сигнала в каждой из двух антенн.

Интересно, что между зеркалами LIGO циркулирует свет, мощность которого достигает 100 кВатт. Как

поясняет один из участников «грави­тационной» группы МГУ имени Ло­моносова, доктор наук Игорь Биленко, чем меньше сигнал, тем большая мощность нужна, чтобы его зафиксировать. Поэтому в плечах LIGO циркулирующая мощность и дости­гает 100 кВатт, и малейшая пылинка, если она попадет на зеркало в «ру­каве», способна его уничтожить. По­этому покрытие зеркал имеет очень высокий процент отражения. При этом использована сложная система подвесов, на которых эти зеркала держатся, — для крепления исполь­зуются уникальные кварцевые нити, которые дают необходимую доброт­ность устройству LIGO.

 

«Птенцы гнезда» Брагинского

«Открытие века» состоялось под «шапкой» американской науки. Одна­ко гравитационные исследования -международный проект, в котором участвуют ученые многих стран мира. В том числе ученые России, которым удалось внести весомый вклад в общее дело. Именно у нас в 60-х годах над темой прецизионных измерений начал работать один из всемирно известных отечественных ученых Владимир Брагинский. И именно под его крылом возник кол­лектив ученых в Москве, которые стали теоретическими основателями открытия гравитационных волн. Рас­сказывают, что американцы долгие годы активно «приглашали» Влади­мира Брагинского к себе. Однако тот отказывался переезжать в одиночку и предлагал США оплачивать работу всего коллектива МГУ имени Ломо­носова по гравитационным исследо­ваниям. Американцы пошли на ком­промисс: посредством грантов, вы­деляемых властями США через NSF (National Science Foundation; аналог в России — Российский фонд фунда­ментальных исследований), РФФИ в течение более десяти лет полностью покрывали расходы на исследования российских ученых, работающих над открытием гравитационных волн. «Это исключение из правил: обычно NSF и РФФИ договариваются, что каждый сам оплачивает работу сво­их ученых. Однако здесь американ­цы пошли на уступку — во многом из-за уважения к имени Владимира Брагинского», — подчеркивает про­фессор Сергей Вятчанин.

Сегодня знаменитый физик-тео­ретик Владимир Брагинский, которому в прошлом году исполнилось 84 года, испытывает проблемы со здоровьем — год назад болезнь за­ставила отойти его от гравитаци­онных дел. Но вклад Владимира Брагинского в «открытие века» — и это подчеркивают по обе стороны Атлантики — переоценить невоз­можно.

Известно, что наука никогда не стоит на месте. Вот и в сфере гравитационных исследований на­прашивается вопрос: что дальше? Астрофизические прогнозы ученых оптимистичные. «При том усовер­шенствовании системы LIGO, кото­рое запланировано на ближайшее будущее, мы можем рассчитывать на два интересных события (реги­страции гравитационной волны. — Прим. авт.) в неделю», — говорит профессор МГУ Игорь Биленко. И тому, что данные перспективы вы­соко оцениваются в мире, уже есть свидетельства: аналоги LIGO уже разработаны в Италии и Японии, се­рьезно заинтересован в появлении у себя собственной антенны Китай.

Самое время вернуться к вопро­су, заданному в начале: каков пред­ставляется эффект для «народного хозяйства» от открытия гравитаци­онных волн? На первый взгляд ну­левой: никто сегодня не знает, для чего это может быть использовано в прикладном плане. А вот в буду­щем можно пофантазировать. На­пример, предположить, что если мы способны слышать отзвук события, произошедшего более миллиарда лет назад, то в будущем мы будем способны преодолевать время на радость создателям кино «Назад в будущее» или «Кин-дза-дза».

Но ученые не фантасты и потому неохотно пускаются в рассуждения о «машинах времени». Зато вполне конкретно говорят о том, что ис­следования фундаментальной науки всегда являлись локомотивом осяза­емых достижений научно-техниче­ского прогресса. И действительно, не будь гипотезы гравитационных волн, о такой суперустановке, как LIGO с ее многочисленными системами, «контролерами», кварцевыми нитями и сверхотражающими зеркалами, че­ловечество вряд ли узнало бы.

Стоит вспомнить, что, когда были открыты электромагнитные волны, никто не мог предполагать, что спустя какое-то время именно они лягут в основу системы спут­никовой связи, без которой сегодня сложно представить современный мир. Заработала, кстати, эта связь благодаря теории относительности, которую также поначалу любители «потребительской» науки не жало­вали: именно теория Эйнштейна позволила вычислить погрешность, без учета которой невозможно бы­ло синхронизировать и, соответ­ственно, заставить работать ту же систему ГЛОНАСС. «Можно пред­положить, что прикладные послед­ствия открытия гравитационных волн мы или наши дети, внуки уви­дим, но «на расстоянии». А вот ког­да именно это произойдет, сегодня говорить рано», — резюмирует про­фессор Сергей Вятчанин.

Николай Гуляницкий

[История открытия] Через сто лет после предсказания Эйнштейна были зарегистрированы гравитационные волны

Электромагнитные волны:

1865 год - уравнения Джеймса Максвелла.

1888 год - экспериментальное подтверждение Генриха Герца.

Гравитационные волны:

1916 год - уравнения Альберта Эйнштейна.

1993 год - Нобелевская премия Расселу Халсу и Джозефу Тейлору за открытие гравитационных волн по изменению частоты двойных пульсаров, что стало косвенным подтверждением их существования.

2016 год - прямое обнаруже­ние гравитационных волн (коллаборация LIGO).

Регистрация гравитационных волн:

Гравитационные волны были за­регистрированы 14 сентября 2015 года в 5:51 по летнему североаме­риканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерва­тории (LIGO — Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), расположенных в Ливингстоне, штат Луизиана, и в Хэнфорде, штат Вашингтон, США.

Обсерватория LIGO была задумана, построена и эксплуатируется Кали­форнийским и Массачусетским тех­нологическими институтами (Caltech и MIT) и финансируется Националь­ным научным фондом (NSF) США. Открытие, сообщение о котором принято к публикации в журна­ле Physical Review Letters, было сделано на основе показаний этих двух детекторов совместно научной

коллаборацией LIGO (которая вклю­чает в себя также коллаборацию GEO и Австралийский консорциум интерферометрической гравитаци­онной астрономии) и коллаборацией VIRGO.

Технические параметры:

Лазерная гравитационная антенна второго поколения Advanced LIGO вступила в строй в конце 2015 года. Чувствительность антенны позво­ляет рассчитывать на регистрацию гравитационных всплесков пример­но раз в месяц.

Планируется достичь чувствительно­сти на уровне стандартного кван­тового предела (СКП) для пробных масс 40 кг.

Если удастся преодолеть СКП, полу­чим микроскопический квантовый прибор.

детектор LIGO-2

Вид сверху на один из двух детекторов LIGO-2, расположенный в Хэнфорде (США). Длина каждого «рукава» детектора — 4 километра. Не все его «собратья» могут похвастаться таким размахом «плеч»: так, индийский аналог имеет такую же длину, а вот «итальянец» и «японец» — на километр меньше

 

детектор LIGO-2

Наиболее экзотичный детектор находится сегодня в Японии: KAGRA встроен внутрь одной из живописных гор Страны восходящего солнца
Читайте нас ВКонтакте