На протяжении сотен лет, начиная со времен Ньютона и Лагранжа, ученые предлагали множество ответов на вопрос о точной скорости гравитации. Два основных предположения, вокруг которых крутились дебаты, состояли в том, что гравитация или бесконечно быстра и пронизывает всё пространство, или распространяется со скоростью света.
Например, Лаплас в 1805 году, используя формулы Ньютона, посчитал, что скорость гравитации должна быть минимум в 7·106 раз выше скорости света — иначе орбиты планет не совпадали бы с тем, что мы видим на небе. Расчеты Лапласа используются до сих пор, и были одним из аргументов противников теории относительности Эйнштейна, предложенной на сотню лет позже.
Дебаты продолжались ещё долгое время, регулярно находились новые аргументы, подтверждающие ту или иную сторону (например, работы Лоренца об инвариантности статических полей, показавшие, что именно в своих расчетах не учел Лаплас). Но окончательный ответ на вопрос о скорости гравитации был найден только 5 лет назад. Благодаря наблюдениям за гравитационными волнами, проведенным в 2017 году, мы теперь знаем, как происходит распространение гравитации в космосе.
Среди всех фундаментальных сил, известных человечеству, гравитация является самой знакомой. Мы ощущаем её постоянно. Но одновременно она удерживает всю Вселенную, соединяя далекие галактики в обширную космическую сеть, части которой влияют друг на друга. Отсюда возникает вопрос: имеет ли гравитация скорость? И если да, то какую? И можем ли мы как-то её измерить?
Начнем с мысленного эксперимента. Предположим, в этот самый момент Солнце каким-то образом исчезло. Не просто погасло, а полностью исчезло. Мы знаем, что свет движется с фиксированной скоростью: 300 000 километров в секунду. Зная известное расстояние между Землей и Солнцем (150 миллионов километров), мы можем рассчитать, через сколько мы здесь узнаем, что Солнце исчезло. Пройдет около восьми минут и 20 секунд, прежде чем небо резко потемнеет.
Но что насчет гравитации? Если Солнце исчезнет, оно не только перестанет излучать свет, но и перестанет оказывать гравитационное воздействие, удерживающее планеты на орбитах. Может ли произойти так, что об отсутствии Солнца мы узнаем ещё быстрее — когда Земля вдруг изменит свою траекторию?
Вопрос, с вершин нашего понимания Вселенной, может показаться глупым. Это нарушило бы теорию относительности Эйнштейна, не так ли? Ничто в мире не может двигаться сквозь пространство быстрее скорости света! Но в то же время мы уже знаем, что само пространство перемещается быстрее скорости света. Оно расширяется во все стороны так, что далекие галактики уже удаляются друг от друга быстрее, чем свет от них может достичь друг друга. Через триллионы лет, если это продолжится, свет даже от самых ближайших галактик перестанет достигать Земли. Любые физические объекты, да, не могут двигаться быстрее скорости света, но является ли гравитация таким объектом?
Пока что мы не нашли частицу, которая могла бы отвечать за гравитацию. Гипотетический безмассовый гравитон, предложенный в 1930-х годах, так и не был обнаружен, несмотря на массу экспериментов. Единственное, что мы теперь знаем наверняка — по расчетам, гравитоны должны жить минимум по 450 миллионов лет. А их образование убирает из системы настолько мало энергии, что обнаружить их мы сможем только в девятимерном пространстве и при энергиях столкновений от 100 трлн электронвольт (Большой адронный коллайдер дает максимум 6,5 ТэВ).
В общем, по сравнению с гравитоном поиск бозона Хиггса — это ещё цветочки. С текущими технологиями надеяться как-то найти доказательства существования этой частицы смысла нет. А если гравитация связана не с частицами, а с самой тканью пространства — возможно, она может перемещаться и быстрее скорости света. Может, её скорость вообще бесконечна, и она присутствует всегда и везде.
Как тогда можно провести какой-либо эксперимент с гравитацией? Тем более что в нашем распоряжении пока что только Земля?
Ну, мы, конечно, могли бы многое узнать, если бы Солнце исчезло. Это дало бы немало новых данных. Что произойдет быстрее, сход Земли с орбиты или «выключение» неба? Или гравитация движется с какой-то своей скоростью, и будет определенный интервал между моментом, когда всё погрузится в темноту, и моментом, когда астрономы заметят, что мы движемся в неправильном направлении? Но такой эксперимент тоже (к счастью?) за пределами наших возможностей.
Сэр Исаак Ньютон, создавший первую сложную теорию гравитации, был убежден, что скорость гравитации бесконечна. И базировал на этом все свои расчеты. Он первым показал, что движение объектов на Земле и небесных тел можно объяснить одними и теми же принципами. И даже предсказал, что Земля должна быть приплюснута на полюсах. Впрочем, его заключения по поводу движения тел в Солнечной системе слегка не соответствовали реальным движениям небесных тел: он не подозревал о теории относительности. До открытий Эйнштейна оставалось больше двух сотен лет.
С другой стороны, Альберт Эйнштейн, как ему и положено, считал, что гравитация движется со скоростью света. Он сказал бы, что люди одновременно и заметят исчезновение Солнца, и почувствуют резкий толчок, который пошлет Землю по прямой куда-то в глубины Вселенной.
Теория гравитации Эйнштейна, предложенная в 1920-х годах, более точно предсказывает путь планет вокруг Солнца, чем расчеты Ньютона и Лапласа. И делает более точные предсказания, многие из которых уже были подтверждены. Итак, можем ли мы заключить, что Эйнштейн был прав?
Нет, не можем. Как уже было наглядно продемонстрировано с классической механикой Ньютона, можно быть правым в деталях, но неверным глобально. Если теория отлично объясняет один аспект Вселенной (движение ближайших к нам небесных тел), это не значит, что она непогрешима во всем.
И мы, собственно, уже это знаем: теория относительности несовместима с квантовой физикой. Вполне рабочие формулы электродинамики не сочетаются с теорией гравитации Эйнштейна. Мы используем их по отдельности, предпочитая не замечать этот факт, но параллельно уже почти сто лет лучшие умы мира бьются, пытаясь создать «Теорию всего» и как-то помирить эти разные модели. Больше всего времени «теории всего» уделил сам Эйнштейн. Он посвятил попыткам её создания большую часть своей жизни, но универсальных формул в итоге так и не нашел.
Так что сейчас мы знаем, что теории Эйнштейна, как и теории Ньютона, пока не могут дать нам ответ на все вопросы. И если мы хотим узнать скорость распространения гравитации, нам нужно придумать способ ее непосредственного измерения. Поскольку мы не можем просто «выключить» Солнце на пару мгновений, придется найти другой метод.
Самое важное в теории гравитации Эйнштейна — то, что он понял, что знакомую нам силу можно объяснить искажением самой ткани пространства: чем больше искажение, тем выше гравитация. Согласно его теориям, в каком-то смысле пространство податливо, как поверхность батута, который искажается, когда на него наступает ребенок. Более того: если тот же самый ребенок прыгает на батуте, его поверхность меняется, она двигается вверх и вниз.
Точно так же и пространство может «подпрыгивать вверх и вниз» в плане изменения гравитации. Эти пространственные искажения называются «гравитационные волны», и, согласно Эйнштейну, они будут распространяться со скоростью гравитации. Итак, если мы сможем обнаружить гравитационные волны, сжимающие и «распрямляющие» пространство, мы, возможно, сможем измерить скорость гравитации.
Искажение самой ткани пространства — конечно, не выключение Солнца, но это всё равно выходит далеко за рамки современных технологий. К счастью, здесь нам помогла сама природа.
Измерение гравитационных волн
Само существование гравитационных волн было под большим вопросом ещё со времен Пуанкаре, который ввел этот термин. Все расчеты Эйнштейна, подхватившего его идею, сходились, а теория относительности получила экспериментальное подтверждение благодаря затмению Солнца в 1919 году, показавшему серьезное искривление света. Поэтому большинство ученых считали, что волны существуют. Оставалось только их обнаружить.
Проблема в том, что гравитация — самая слабая из всех четырех фундаментальных сил, в миллионы раз слабее остальных. Падение человека с километровой высоты останавливает небольшой слой атомов асфальта, связанных через кварки и глюоны. Обнаружение мелких колебаний гравитации — задача непростая. Чтобы наши приборы хоть что-то засекли, колебания должны быть вызваны чем-то вроде черной дыры. А лучше — двух черных дыр.
Испуская небольшое гравитационное излучение, они будут постепенно терять энергию и сближаться. А когда они войдут в горизонт событий друг друга, процесс ускорится, и две черные дыры сольются в одну. Это резко уменьшит их общее количество энергии и общую массу и высвободит остальное в виде гравитационных волн. Масса новой черной дыры, по расчетам, должна быть где-то на 5% меньше, чем сумма масс двух изначальных черных дыр. В процессе слияния во Вселенную выбрасывается больше энергии, чем за это время выделяют все видимые нам звезды.
Хотя гравитационное излучение было предсказано Эйнштейном еще в 1916 году, ученым потребовалось больше пятидесяти лет, чтобы как-то его засечь. В 1974 году астрономами была наконец найдена система с двойным пульсаром, и с её помощью за несколько лет мы подтвердили факт существования гравитационных волн. Общая теория относительности предсказывала, что две нейтронные звезды будут излучать гравитационные волны при движении вокруг общего центра масс, постепенно сближаясь, и уменьшение орбитальной энергии найденной системы в точности соответствовало предсказаниям теории Эйнштейна. За 10 лет орбитальный период системы уменьшился на 76 миллионных секунды в год.
То есть мы математически подтвердили, что два космических объекта способны с какой-то периодичностью излучать гравитацию, вызывая колебания в ткани пространства. Но чтобы обнаружить сами эти искажения, и в том числе скорость их распространения, пришлось 8 лет строить другой эксперимент.
В 1994-м для поиска гравитационных волн в США начали строить детектор LIGO — две одинаковые гигантские трубы длиной по 4 километра, совмещенные друг с другом под углом 90 градусов, образуя букву «Г». Далее через трубу пускался лазер, и, используя комбинацию зеркал и зная частоту луча лазера, измерялась разница в длине труб (разница в расстоянии, пройденном каждым лучом, создавала бы разность фаз между ними).
Поскольку трубы «смотрят» в разных направлениях, гравитационные волны при прохождении повлияют на длину труб по-разному, позволяя ученым засечь эти колебания (а также, может быть, засечь их скорость, то есть скорость распространения гравитации в пространстве).
Таких гигантских детекторов в США было построено два: на севере и на юге страны, ровно в 3000 километрах друг от друга. Дистанция тоже была выбрана не случайно: предполагалось, что если волны будут двигаться со скоростью света, это позволит детекторам засечь их с разницей ровно в 10 миллисекунд.
Лаборатории были запущены в 2002 году. И собирали данные каждый день до 2010 года. Следов гравитационных волн обнаружено не было.
В 2010-м начался процесс улучшения детекторов — установка новых лазеров и оборудования, чтобы в 4 раза повысить чувствительность сенсоров. Это стоило $220 млн и длилось 5 лет. Зато почти сразу же после включения устройство обнаружило свою первую гравитационную волну, прошедшую через «руки» её интерферометров. 14 сентября 2015 года были засечены две черные дыры порядка 30 солнечных масс каждая, которые слились на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли, судя по характеру затухания волн. Вот подробнее об этом моменте на Хабре.
В июне 2016 года — ещё один сигнал, слияние двух черных дыр в 14 и 7,5 раза массивнее Солнца.
В январе 2017 года — слияние двух черных дыр в 31 и 19 раз массивнее Солнца.
В августе 2017 года — слияние двух черных дыр в 30 и 25 раз массивнее Солнца.
В целом за время своей работы к настоящему моменту лаборатории засекли уже несколько десятков слияний. Почти всегда — двух черных дыр, хотя есть также слияния черных дыр с нейтронными звездами.
Первое официальное подтверждение существования гравитационных волн! Не просто излучения, как в 1974-м, а именно волн! Очень волнующий момент в истории астрономии. Но всё-таки, вы будете смеяться, полного ответа на вопрос о скорости гравитации он нам так и не дал. Для этого нужен был другой эксперимент.
Дело в том, что сигнал на интерферометрах длится доли секунды. Может показаться, что это очень мало, но при измерении скоростей, близких к скорости света, это совсем не та точность, которая нужна. Расстояние в 3000 км между двумя лабораториями давало разницу в 10 миллисекунд, как и предсказывалось, но из-за мельчайших помех (которыми могли служить даже далекие подземные толчки в другой части континента) часто разница была заметно больше. Было видно, что скорость гравитации близка к скорости света, но насколько близка? 70%, 90%?
Как можно измерить ещё точнее?
Способ есть. Слияние двух черных дыр — не единственное событие галактического масштаба. Большие гравитационные волны также могут быть вызваны столкновениями нейтронных звезд. Сверхплотных ядер, остающихся после вспышек сверхновых. Нейтронные звезды похожи на черные дыры, только они немного меньше и немного светлее. Кроме того, когда нейтронные звезды сталкиваются друг с другом, они не только дают гравитационное излучение, но и испускают мощную вспышку света, которую мы можем наблюдать.
Чтобы определить скорость гравитации, ученым нужно было увидеть слияние двух нейтронных звезд. И посмотреть, какая задержка будет между моментом обнаружения света от них и появлением сигнала волн гравитации на детекторах LIGO.
17 августа 2017 года астрономы наконец получили свой шанс. Детекторы зафиксировали какие-то очень странные, продолжительные волны. Все предыдущие события длились не больше секунды, а здесь сигнал шел больше 100 секунд. Частота колебаний была в сотню раз выше — объекты вращались с невероятной скоростью, выдавая по тысяче циклов в секунду. Если раньше сигналы исходили от пар черных дыр, сливающихся вместе, то здесь это были нейтронные звезды, в 1,1 и 1,6 раза массивнее Солнца, сцепившиеся друг с другом.
А спустя две секунды орбитальные обсерватории засекли гамма-излучение (которое является формой света), исходящее из того же места в космосе, — галактики, расположенной на расстоянии 130 миллионов световых лет от нас. Пройти такую дистанцию — и прийти в один и тот же момент! Никаких сомнений тут уже не оставалось. Наконец-то, спустя 350 лет после первых расчетов Ньютона, астрономы нашли то, что было нужно для точного определения скорости гравитации.
Об этой работе на английском можно почитать тут. Но суть ясна: гравитация и свет дошли до Земли с интервалом в две секунды друг от друга, при том что они путешествовали около 130 миллионов лет. А это значит, что они имеют одинаковую скорость. Погрешности почти нет (2 секунды от 130 млн лет — это 4,8·10-16). Мы не знаем — возможно, гравитация при столкновении нейтронных звезд начинает расходиться чуть раньше света, или свет чем-то блокировался, или, вероятнее всего, причина небольшой задержки в разнице между датчиками.
Как бы то ни было, у нас есть ответ. Гравитация и свет движутся с одинаковой скоростью, что подтверждается точными измерениями. Это еще раз говорит нам о верности теорий Эйнштейна и намекает на какую-то глубокую истину о природе пространства. Теперь ученым остается понять, почему эти два очень разных физических явления — свет и гравитация — имеют одинаковую скорость.
