Ведущий научный сотрудник НИИ Физики ЮФУ, кандидат физико-математических наук Виталий Бейлин рассказал о гравитационных волнах и значении открытия для науки.

Теория Альберта Энштейна

По словам Виталия Бейлина, в начале 20-го века благодаря работам великих физиков и математиков Г. Лоренца, А. Пуанкаре, Г. Минковского, экспериментальным исследованиям гипотетической среды - носителя световых волн - эфира (А. Майкельсон и Э. Морли) были созданы предпосылки для изменения представлений о пространстве и времени. Гениальные идеи Альберта Эйнштейна были воплощены им в серии теоретических статей, где математически корректно были сформулированы все принципы описания пространства-времени, как физической реальности — специальная (для инерциальных систем отсчета) и общая (обобщенная на неинерциальные системы отсчета и описывающая гравитационное поле, как проявление кривизны исходного объекта — 4-мерного континуума пространства-времени) теории относительности.

«Альберт Эйнштейн детально рассмотрел возможные следствия новой теории, устранив проблемы несоответствия нерелятивистской теории Ньютона эффектам, возникающим при движении с высокими скоростями, и предсказав множество новых явлений, специфичных для нового описания упругого пространства-времени, деформированного полями заключенной в нем материи (всех материальных объектов Вселенной) как материальной сущности, обладающей собственной внутренней динамикой», - пояснил ведущий научный сотрудник НИИ Физики ЮФУ.

По его словам, уравнения новой теории содержат информацию как о взаимодействии искривленного пространства-времени с материей, содержащейся в нем, так и эффекты, свойственные самому пространству-времени.

В нескольких работах (около 1917 - 1918 гг.) А. Эйнштейн получил уравнения, описывающие распространение деформации самого пространства-времени в виде волны (такие уравнения описывают и волны на поверхности жидкости, и колебания струны), что будет проявляться в периодическом изменении расстояния между двумя свободно падающими пробными массами. То есть, гравитационная волна — своеобразная «рябь» той «сцены», на которой разворачиваются все события материального мира, распространяющиеся с определенной скоростью в самом «теле» пространства-времени колебания, вызванные сильными возмущениями в движении массивных тел, «закутанных» в это самое пространство-время.

Подтверждение теории

Если почти все предсказания новой теории были подтверждены по прошествии ряда лет, то вопрос о подтверждении существования гравитационных волн, их амплитуды «колебаний пространства-времени», скорости движения был открыт вплоть до 2015 года, когда технические и технологические возможности науки смогли надежно установить сам факт возникновения (вследствие масштабного астрофизического явления — слияния двух черных дыр большой массы) и основные характеристики гравитационных волн, движущихся со скоростью света, как и предсказывал Эйнштейн. Нужно сказать, что первые эксперименты по поиску гравитационных волн были начаты еще в 60-е годы 20-го века, однако чувствительность аппаратуры была мала.

«В обсерваториях гравитационно-волновой астрономии LIGO и VIRGO (США) были в сентябре 2015 года зарегистрированы сигналы от слияния двух черных дыр, после первичной обработки данных в октябре 2015 года была определена амплитуда гравитационной волны (относительное смещение), дающая в максимуме ожидаемо малую величину около 10^-21. Затем были оценены массы объектов, породивших эту волну — около 30 и 35 масс Солнца, примерно найдено расстояние до них. Было подтверждено утверждение Эйнштейна, что гравитационные волны распространяются со скоростью, равной скорости света, то есть, электромагнитных волн, подтверждено, что эти волны поперечны. Сам факт их обнаружения заодно говорит о том, что черные дыры действительно существуют, причем могут образовывать двойные системы», - рассказал Виталий Бейлин.

Как отметил Виталий Александрович, это огромное достижение науки и техники 21-го века, ставшее возможным благодаря совместной работе огромного числа ученых и инженеров из Европы, США. Недаром в 2017 году главным разработчикам теоретической и технологической частей проекта, Райнеру Вайссу, Барри Баришу и Кипу Торну, была вручена Нобелевская премия по физике за это выдающееся научное достижение – экспериментальное обнаружение гравитационных волн. Нужно отметить, конечно, что исходная идея — использовать лазерные интерферометры для поиска этих сигналов — была предложена в 1962 году М. Герценштейнм и В. Пустовойтом, но их статья тогда прошла незамеченной. И все же заметный вклад в разработку уникального экспериментального комплекса внесли ученые из Советского Союза, а затем России, в частности, группа ученых из МГУ под руководством В.Б. Брагинского.

«Нужно сказать, что в настоящее время гравитационно-волновая астрономия стала отдельным и очень важным разделом современной астрофизики, экспериментально поддерживаемой целой сетью обсерваторий тила LIGO. Теперь это большие международные коллаборации, которых уже больше десятка. Новое направление в астрофизике позволит не только задавать вопросы об эволюции Вселенной на ранних стадиях, но и искать ответы, используя данные получаемые сетью обсерваторий о физике гравитационных волн, несущих информацию об этапах инфляции, зарождении и динамике структур во Вселенной», - сказал физик.

Кроме того, Виталий Бейлин также рассказал, что в НИИ физики ЮФУ работает отдел астрофизики и группа физиков-теоретиков в области современной астрофизики, квантовой теории поля и физики высоких энергий. Напрямую открытие гравитационных волн не связано с основной тематикой исследований этих групп, однако изучение астрофизических феноменов Галактики и за ее пределами, а также иных данных, получаемых при сверхвысоких энергиях с целью установления природы, структуры и динамики Темной Материи, приводит к необходимости исследования корреляций между различными сигналами, детектируемыми астрофизическими и наземными обсерваториями, как нейтринными так и для детектирования фотонов высоких энергий, а также измерительными комплексами для изучения широких атмосферных ливней, порождаемых космическими лучами. И, конечно, с учетом и анализом данных о гравитационных волнах, приходящих, как теперь уже известно, не только от слияния черных дыр. Исследование таких корреляций сигналов разной природы — важная часть нашей работы.

«Никаких прямых исследований гравитационных волн в ЮФУ не ведется — это невозможно, поскольку никакой технической возможности для этого нет. Современные гравитационно-волновые измерительные комплексы — это сложнейшие установки, которые не под силу науке в ЮФУ. Может быть, именно сейчас не под силу? Поживем — увидим»,- добавил Виталий Александрович.

Пока лишь две публикации ученых ЮФУ имеют прямое отношение к теории гравитации Альберта Эйнштейна и подтвержденного через сто лет выдающегося предсказания:

V. Beylin, O. Golubjeva, D. Krivosheev, L. Minasyan, “A review of movement to the general theory of relativity and gravitational waves (100 years of expectations)”, AD ALTA-J. Interdiscip. Res., 8:1, 4 (2018), pp. 98–104 

L. Minasyan, V. Beylin, O. Leshcheva, Space-Time in the Modern Scientific Picture of the World (to the 100th Anniversary of the Gravitational Waves Prediction). Voprosy filosofii, Iss.9 pp. 118-129 (2019)  DOI 10.31857/S004287440006324-1.