Вълнуваща гравитация

Публикувано в брой 6/2012 на Списание 8.

Как изглежда незабравимо изплезеният, но въпреки това мъдър Айнщайн, знаем всички. Е, ако става дума за неговите Обща и Специална теория на относителността, съвсем не е точно така. Физичните му тези изграждат фундаментите на съвременното ни разбиране за света. Но ето че една от най-основните му идеи поставяше под въпрос всичко и се нуждаеше от почти век, за да бъде доказана. На сцената ни този път се качват мистериозните гравитационни вълни, представени от добре познатия на читателите на „8" доктор на физическите науки Пламен Физиев, който отново се включи със свежа информация от далечния руски научен център в Дубна.

За първи път гравитационни вълни може би са регистрирани директно. Те ни дават безценна информация за ранните етапи от развитието на Вселената и за това дали са прави с теориите си някои от най-великите учени на ХХ век. Но с помощта на физиците ни разкриват още и за Вселената, в която днес живеем.

Нашето представяне ще започне още от „раждането" им. Веднага след като през 1905 г. Айнщайн публикува Специалната теория на относителността, той се насочва в търсене на обяснения на гравитацията. Лута се доста, преди десетилетие по-късно да даде втория си фундаментален труд – Общата теория на относителността.

Относително

Каква е била основната пречка пред него: великият учен е бил наясно, че в природата не могат да съществуват сигнали, които да се пренасят със скорост над тази на светлината. А това влиза в противоречие с теорията на Нютон, според която гравитацията зависи само от разстоянието. Ако телата са много далеч, става дума за мигновено пренасяне на информацията, което може да е със скорост и над светлинната.

Ето защо Айнщайн създава изцяло нова концепция, която нарича Обща теория на относителността. При нея гравитацията се пренася само от вълни, описани теоретично, които се разпространяват със скорост, ненадвишаваща тази на светлината.

Скоро теориите му стават общоприети и официални за науката. Първото им експериментално потвърждение ги доказва: наблюдаваните в средата на века отклонения в перихелия (орбитата) на Меркурий се покриват с предсказаното от Айнщайн.

Гравитационните вълни обаче ги няма, макар поколения учени да ги търсят цяло столетие. И тъй като те са в основата на всичко, въпросната липса доста смущава физиците.

Пулсар, поспри

За момента единствените експериментални данни за нашите герои са индиректни: през 1993 г. Джоузеф Халс и Джоузеф Тейлър получават Нобелова награда и в мотивите на комитета липсват думите „гравитационни вълни", макар на всички да е ясно, че именно те са поводът. Пулсарите са двойни звезди, едната е неутронна, върти се и излъчва електромагнитни вълни. Днес познаваме хиляди такива. Халс и Тейлър наблюдават първите познати подобни обекти и забелязват, че периодът им на въртене намалява – тоест може би излъчват гравитационни вълни, които водят до загуба на енергия. Тя в случая би била нищожно малка -  двойна система с размер 4-5 пъти колкото Слънцето - няколко милиона километра, за 1 оборот се забавя с 3 милиметра. Това съвпада с Айнщайновите прогнози, но от една страна, информацията е доста косвена, а от друга – боравейки с такива миниатюрни ефекти, бихме могли да ги обясним и по други начини, макар и по-фантастични, например - нищожно изменение на нютоновата константа. 

Много са причините търсенето им да е достатъчно сложно. Звуковите вълни са скаларни – имат една функция, която лесно описва движението им например във водата. Електромагнитните са векторни вълни – затова улавянето им става чрез дипол. Или с по-прости думи - добрата стара дълга антена, която ни дава телевизионния или радиосигнал. С нея можем да се свържем с Париж или дори с Марс.

Гравитационните вълни по идея са доста по-сложни – наричат се тензорни, което значи, че в търсенето им са нужни две свързани познати антени. Само по тях ще проличи ефектът на вълните – да разтягат телата. Това се случва едновременно в две посоки – все едно сте хванали дунапренов сюнгер и го извивате по диагонал – нужно е да се отчетат промените едновременно в две от измеренията. 

И ако така процесът ви звучи доста сложен, това се допълва от впечатляващата прецизност, нужна, за да се улавят вълните. Те са изключително слаби - пренасят нищожно малка енергия в сравнение с нормалните, с които сме свикнали да боравим. 

Милиарди 

по вълните

За да си представите колко значимо е откриването на въпросните гравитационни вълни, достатъчно е да кажем, че в момента ги търсят и 6 апарата, всеки на стойност около милиард долара. Представляват лазерни интерферометри с дължината на антената в едното и другото направление по... цели 4 километра. Търсят изменение в дължините на антените от порядъка на 10-17 сантиметра – една хилядна от размера на протона! Такива чудовищни апарати са дори по-прецизни от толкова нашумелия голям адронен колайдер в ЦЕРН.

По около 1000 служители работят във всяка от 6-те установки и в координация помежду си. Винаги са дежурни десетки спътници, които наблюдават за сливане на черни дупки и гама-лъчение от такова – главните заподозрени събития за излъчването на гравитационни вълни. И щом видят такова, сигнализират веднага, така че изследванията на 6-те колосални машини да се насочат в същата посока.

Поне така би трябвало да бъде. Защото при старта на програмата с 6-те телескопа в началото на хилядолетието очакванията били, че такова сливане ще има веднъж дневно. От 6 години машините работят на пълна мощност, регистрирани са над 200 подобни избухвания, но след тях няма и помен от гравитационни вълни. Негативен резултат за милиарди... А ако вълните ги няма, край на теорията на Айнщайн.

Въпреки това и в момента се дават сериозни средства за подобряване на техниката – до 3 години апаратите ще са 10 пъти по-чувствителни отново в търсене на толкова важното явление... Според Физиев, а и според много други водещи специалисти обаче посоката в търсене на гравитационните вълни би могла да бъде друга. Можем да накараме „да ни разкаже" за тях микровълновият фон. Съвсем наскоро стана ясно, че това е вече възможен подход.

Физик пророк

Още през 30-те години на миналия век различна гледна точка по темата дава не толкова известният съветски учен Матвей Бронщайн. Той пръв изгражда убедителната хипотеза, че гравитационните вълни могат да имат квантов характер – с други думи, имат микроскопични мащаби, в които важат съвсем други природни закони. След всички експерименти вече е ясно, че ако гравитационните вълни съществуват, те могат да са единствено квантови. Уви, Бронщайн, освен че остава неизвестен, не успява да научи, че е бил прав и защото съвсем млад загива по време на сталинските репресии в края на 30-те години.

Ето че стигаме до голямата новина, съвсем прясна от гледна точка на физиката: през март данните от няколко обсерватории, работещи на различен от досегашния принцип, доказаха: ефекти от гравитационните вълни все пак съществуват и могат да бъдат уловени, а скоро – надяваме се, и проучени като явление! 

За да разберем новия подход, първо се връщаме доста назад в историята на Вселената. Всички сме чували какво е Големият взрив, но уви, далеч не са много нещата, които знаем за случилото се преди 13 млрд. години.

Вселената е възникнала от изключително малко пространство, чиито процеси не можем да си представим. После за някакви си 10-36 части от секундата се разширява чудовищно и започва процес, наречен инфлация. Автор на тази идея е световноизвестният руски астрофизик Алексей Старобински.

В началото енергиите са чудовищни – започват със стойности от 1018 гигаелектронволта. За сравнение - прочутият LHC достига едва 100, 16 порядъка по-ниски. Затова и е наивно да се смята, че апарати като колайдера могат да ни върнат чак до Взрива – за това биха ни били нужни ускорители с размери не само надвишаващи тези на планетата и Слънчевата ни система, но и на целия Млечен път, казва Физиев.

Когато взрив удари

Дълго време температурата и плътността на веществото остават чудовищни, а Вселената рязко се разширява, докато постигне нормалните си размери. Едва около 380 000 години след Големия взрив нещата се променят – разстоянията са достатъчно големи, за да се появят атоми, а фотоните (или с други думи: светлината) започват да се движат свободно. Така започва нормалната физика, каквато я познаваме. 

А този момент ни подарява една снимка на събитията, на която ще се опитаме да потърсим и нашите приятели – гравитационните вълни. Космически микровълнов фон – така се наричат фотоните, „изпратени" точно в момента, когато Вселената е станала прозрачна и продължават да се движат из нея. Последният апарат, улавящ следите в този фон, е „Планк" (за чиито открития ви разказахме подробно в брой 9/2013 г. на Списание 8). Неговите данни преместиха съотношенията в устройството на Вселената между обичайна и тъмна материя и енергия, вече знаем всичко важно за тях с точност по-добра от 1%. 

Тези уреди регистрират два типа поляризация: Е е линейна и векторът трепти по права линия, а Б – кръгова, и съответно се върти в окръжност. Изследва се и съотношението между двете във фотоновото лъчение, за да се намерят разликите.

Ето че първите „уловени" от хората гравитационни вълни са оставили следите си именно там – в микровълновия фон. Само че в случая откритието не е на огромния орбитален уред, а на малък американски екип от около 30 учени, работещи близо до Южния полюс, нарекли се BICEP-2 (от background imaging of cosmic intergalactic polarization – изследване и картографиране на образите от фоновото извънгалактично лъчение и неговата поляризация). 

В началото на март от групата пускат в научните среди слух, че се подготвя сериозно откритие. И наистина – на 17-и организират пресконференция, на която представят своите убедителни данни, че са уловили влиянието на квантовите гравитационни вълни върху микровълновия фон.

В седмиците след това с подобни „картини" вниманието привличат и още екипи - японската станция „Стрелата на Кек" и намиращата се в Чили европейска „Полярна мечка". Потвърждават, че в микровълновия фон съществува Б-поляризация. Най-вероятно Бронщайн е бил прав за квантовата природата на вълните, Айнщайн - за общата си теория, а на физиците предстои работа...

Физици 

в отпуска

Всичко това е направо революция за научния свят, отчита Физиев. Защото новите данни от отчетените вълни изключват огромна част от теориите за началните етапи на Вселената. И отварят цяло ново поле за изследвания във физиката – неслучайно много от колегите му почти веднага излизат в отпуск, за да започнат проучвания точно в областта на гравитационните вълни.

Оценката на учените от BICEP-2 е, че ако съществуват гравитационни вълни, тяхното участие поне в момента, 380 000 г. след Големия взрив, е по-малко от 1/10 от това на всички останали. И доказват недвусмислено, че инфлацията е била факт, а не просто научно предположение, каквото е досега.

Принципът на изследванията е познат дори от детските играчки – поляризационното стъкло в обектива на телескопа се върти и така се пропускат само вълни с определена поляризация, интензитетът на които се измерва. 

Регистрираните вълни отговарят на изключително къси разстояния, което ги прави квантови. Измерванията ни разказват за нещо, случващо се на разстояния 10-30 сантиметра, което е чудовищен скок напред за цялата наука. Ако си представим съотношението между ежедневните ни размери от порядъка на сантиметри към протона, то е такова и от него до новите обекти. Нещо, което мнозина специалисти не са вярвали, че човечеството някога ще постигне.

Сянка на съмнение

Логично е да се запитате: защо ту казваме, че първичните гравитационни вълни са открити, ту – че това трябва да се доказва и съмнение все още има. Във физиката новостите се признават бавно и подобно епохално за специалистите откритие трябва да мине през сериозни проверки. В науката съществува единицата „сигма" за сигурност на дадени резултати, например ЦЕРН обяви регистрирането на хигс бозона при 5 сигма, а тук учените имат 7 – 100 пъти по-голяма достоверност. Което обаче не спира всички скептици.

Телескопът на BICEP-2 е с размер едва 2 метра – не е коректно да го сравняваме с 4-километровите гиганти, но и методът му на работа е различен. Работи при хелиеви температури, близки до абсолютната нула. Това обаче значи, че наблюденията му покриват малка част от небето. А новината за нашите прословути вълни ще е факт само ако са равномерно разпространени навсякъде. Този аргумент на съмнение обаче донякъде не важи. Данните от другите екипи, последвали BICEP, обхващат различни малки части от земното небе – включително и в северното полукълбо, а не се отличават сериозно от тях. Все още обаче не е сигурно дали при тях данните не се дължат само на гравитационната фокусировка по пътя на фотоните към нас, а не на „нашите" вълни. Отделянето на двата ефекта ще е решаващо и за резултатите на BICEP-2.

Самите учени обаче признават, че все още не е съвсем изключено други неща да доведат до същата картина – например кръгова магнитна поляризация, прах или пък остатъци от взривове на свръхнови, защото точно в наблюдаваното пространство преди хилядолетия е имало такъв. Все пак те са значително по-слабо „заподозрени" причинители от квантовите гравитационни вълни. 

Екипът е извършвал наблюденията си само на 150 гигахерца. Ако явлението съществува, би трябвало да го има на всички дължини, но това все още не е доказан факт.

От своя страна този повод за съмнения отваря и много нови възможности за изследвания. Защото цялостните обявени наблюдения показват, че нещо специално и различно се получава при тази честота и при енергии от порядъка на 1016 гигаелектронволта. Почти по същото време научен екип, работещ в съвсем различна област, обявява, че точно при същата енергия нещо се променя в частиците неутрино. Явно нещо е различно при толкова високи енергии и малки разстояния, но какво точно – само бъдещето ни ще покаже. 

100 г. сага

„Всичко  това става истинска физика, а не момински сънища на физици теоретици", усмихва се Физиев. „Това е гореща и изключително интересна тема. Една стогодишна сага може би намира своето разрешение. С много голяма вероятност пред очите ни се случи епохално откритие, а неговите точни параметри тепърва ще се изучават и ще изиграят много важна роля", завършва той.

И ако все пак ви се струва незначително и отдалечено от живота ни, достатъчно е да се замислим за електромагнитните вълни, които са неизбежна част от ежедневието на всеки от нас – благодарение на тях имаме електричеството и всичко, свързано с него. А дълго време хората не само не са имали идея за какво могат да се използват, но точно както и с гравитационните - не са знаели дали наистина съществуват. 

Когато уравненията на Максуел са предсказали електромагнитни вълни, също никой не е вярвал, че ги има. Трябвало е да минат почти 15 години, преди изследванията на Херц да ги установят експериментално. И още достатъчно, за да се намери как да ги използваме и в какво можем да ги превърнем...

Така че какво могат да донесат гравитационните вълни, ако се окаже, че наистина съществуват, все още няма как да знаем. Но в едно физиците са единодушни: чака ни интересно бъдеще с много нови знания за Вселената, в която, искаме или не, всички ние живеем...