В тази публикация в блога изследваме научното значение и новите възможности, породени от първото директно откриване на гравитационни вълни от човечеството, като разглеждаме как то трансформира съвременната физика и начина, по който наблюдаваме Вселената.
Нобеловата награда за физика за 2017 г. беше присъдена на трима американски физици – Кип Торн, Райнер Вайс и Бари Бариш – които изиграха решаваща роля в откриването на гравитационните вълни. Те бяха признати за постижението си в успешното директно откриване на гравитационни вълни за първи път през февруари 2016 г. в LIGO (Лазерна интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория). И така, какво точно представляват гравитационните вълни и защо потвърждаването на тяхното съществуване е достатъчно важно, за да оправдае Нобелова награда за физика? За да разберем това, нека първо разгледаме концепцията за гравитационните вълни.
Концепцията за „гравитационни вълни“ съществува от повече от век. Алберт Айнщайн ги предсказва за първи път през 1916 г. чрез своята Обща теория на относителността. Според тази теория, обекти с маса изкривяват пространство-времето, а гравитацията е феноменът, произтичащ от това изкривяване. Освен това, ускоряващите се обекти причиняват набръчкване на това изкривено пространство-време, а тези набръчквания се разпространяват навън като вълни със скоростта на светлината. Това са гравитационни вълни. Когато гравитационна вълна преминава, самото пространство се изкривява, разтягайки се в една посока и свивайки се в друга.
Изкривяването на пространството, причинено от гравитационните вълни, обаче е изключително малко, което ги прави неоткриваеми при нормални обстоятелства. Те се произвеждат само на значителни нива по време на масивни космически събития като сблъсък на две черни дупки или експлозия на свръхнова, но дори тогава сигналът е изключително слаб. Съвременните детектори на гравитационни вълни измерват промяната в това колко се е разтегнало пространството. Смущението, създадено от гравитационната вълна, засечена от LIGO този път, е разтегнало и свило пространството само около 10⁻²¹ пъти. За да се измери тази минимална промяна, дължината трябва да се измери с точност, по-малка от една хилядна от радиуса на неутрона, в детектор с дължина приблизително 5 км. Това беше практически невъзможно. Следователно, преди LIGO беше невъзможно директното откриване на гравитационни вълни; за тяхното съществуване можеше да се заключи само косвено.
И така, как LIGO успя директно да открие тези минимални промени в дължината? С други думи, как биха могли да се наблюдават гравитационни вълни? LIGO използва принципа на интерферометъра. Интерферометърът е инструмент, който използва феномена на светлинна интерференция, за да измерва промените в разстоянието на ултра прецизно ниво. За да разберем това, нека първо разгледаме вълновата интерференция.
Вълните са подобни на пулсациите. Когато две вълни с еднаква форма се срещнат, амплитудата им или се увеличава (конструктивна интерференция), или намалява (деструктивна интерференция) в зависимост от това как се припокриват. Ако и двете вълни пристигнат с еднаква фаза, възниква конструктивна интерференция. Ако обаче една вълна пристигне по-късно, което води до разместване на комбинираните вълни във фаза, възниква деструктивна интерференция. По този начин, разликата във времето при пристигането между две вълни причинява промяна в амплитудата на комбинираната вълна и това е явлението интерференция.
Тъй като светлината също е вълна, интерференцията възниква, когато две светлинни вълни се комбинират. Следователно, анализът на амплитудата на комбинираната вълна ни позволява да изчислим разликата във времето на пристигане между двете светлинни вълни, което е еквивалентно на изчисляването на разликата в разстоянието. Това е така, защото ако два светлинни лъча се разминават едновременно, колкото по-голямо е разстоянието, толкова по-голяма е разликата във времето на пристигане.
LIGO е базиран на „интерферометъра на Майкелсън“ сред тези интерферометри. Интерферометърът на Майкелсън е също исторически значим експериментален апарат, особено представен в експеримента на Майкелсън-Морли. Този експеримент разкри, че скоростта на светлината не зависи от посоката и че светлината не се нуждае от отделна среда, за да се разпространява.
Интерферометърът на Майкелсън работи на следния принцип. Светлината от един източник се разделя на два лъча от централно разположен разделител на лъча (устройство, което пропуска половината светлина и отразява другата половина). Двата лъча се отразяват от огледала, разположени на фиксирани разстояния, и след това се рекомбинират, за да образуват интерферентна картина. Ако скоростта на светлината се променяше в зависимост от посоката, времето, необходимо на двата разделени лъча да се рекомбинират, щеше да се различава, което щеше да доведе до промяна в интерферентната картина. Експериментът на Майкелсън-Морли предсказва такава промяна в интерферентната картина, но не се наблюдава промяна, което води до заключението, че скоростта на светлината е постоянна. Този факт по-късно предоставя ключови насоки на Айнщайн да формулира своята теория на относителността.
LIGO е по същество мащабно разширение на този интерферометър на Майкелсън. Разстоянието между делителя на лъча на LIGO и неговото отразяващо огледало достига приблизително 4 км. Само това разстояние обаче е недостатъчно за надеждно откриване на гравитационни вълни, така че LIGO включва „тръба на Фабри-Перо“. Тази техника отразява светлината приблизително 400 пъти в рамките на тръба с дължина 4 километра, като ефективно създава дължина на пътя от 1,600 километра. Това позволява по-прецизно измерване на малки промени в разстоянието. Благодарение на тази сложна технологична комбинация, LIGO успя да наблюдава директно гравитационни вълни, генерирани от сблъсъка на две черни дупки, за първи път на 14 септември 2015 г.
И така, защо откриването на гравитационните вълни е толкова монументално събитие? Първо, неговото значение се състои в прякото потвърждаване на теорията на относителността на Айнщайн за пореден път. Съществуването на гравитационни вълни, предсказано от теорията на относителността, е експериментално потвърдено. Но по-голямата му стойност се крие другаде. Това означава, че човечеството е получило напълно нов инструмент за наблюдение на Вселената. Тази промяна е сравнима с момента, в който човечеството за първи път създаде телескопа. Досега астрономията разчиташе единствено на светлината – тоест на електромагнитните вълни – за да наблюдава небесни обекти. Но с утвърждаването на гравитационните вълни като нов инструмент за наблюдение, най-накрая се отвори област, недостъпна преди за електромагнитните вълни.
Например, в случай на експлозии на свръхнови, никога не сме били в състояние директно да наблюдаваме какво се случва в техните ядра. Това е така, защото огромният слой материал, обгръщащ ядрото на свръхновата, блокира преминаването на светлината. Гравитационните вълни обаче преминават през материята с минимална интерференция, което ни позволява да уловим явления, развиващи се дълбоко в небесните обекти.
Човечеството сега стои на прага на нова ера, наречена „гравитационно-вълнова астрономия“. Гравитационните вълни ще ни предоставят напълно нова перспектива за Вселената, позволявайки ни да разкрием тайните на различни небесни тела и да направим крачка по-близо до разбирането на произхода на Вселената. С нетърпение очакваме до какви открития ще доведат тези наблюдения и се надяваме, че изследванията на гравитационните вълни ще разширят още повече разбирането на човечеството за Космоса.
