Доктор физико-математических наук В. Б. БРАГИНСКИЙ, заведующий отделением радиофизики физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, председатель Комиссии по гравитации АН СССР

Физический термин "поле" давно осел в сознании людей. Их много - ядерные, магнитные, электрические... И все-таки главное из них и самое ощутимое - поле тяготения, или гравитационное. Если все остальные поля воздействуют либо на отдельные вещества, либо на особые свойства тел, то гравитационное поле - непременное условие нашего существования. Без него нарушилась бы всякая материальная связь не только на Земле, но и во Вселенной.

Как ни странно, при столь всеобъемлющем влиянии на природу и человека, столь жизненно важном значении гравитационное поле изучено куда меньше, чем, скажем, электромагнитное, значительно позже открытое. Почему так получилось? Электромагнитная волна - очень удобная и управляемая форма проявления соответствующего поля. Оперируя с электромагнитными волнами, можно многое узнать о порождающем их поле. А если аналогичным способом изучать гравитационное поле? Существуют ли гравитационные волны в природе? Если да, то почему их до сих пор никто не наблюдал? Ныне в СССР три лаборатории - Московского государственного университета (МГУ), академических институтов физики Земли и кристаллографии - совместно разрабатывают антенны, предназначенные для обнаружения всплесков гравитационного излучения от внеземных источников.

Гравитационные волны теоретически предсказал еще великий Эйнштейн в начале века. Однако они должны иметь чрезвычайно малую интенсивность и крайне слабо взаимодействовать с веществом - вот почему их до сих пор не обнаружили.

В современном представлении, основывающемся на общей теории относительности, под гравитационной волной понимается возмущение поля тяготения, которое может самостоятельно, подобно электромагнитному возмущению, распространяться в пространстве с конечной скоростью и нести с собой энергию. Такое возмущение имеет волновую природу и, двигаясь от точки к точке, воздействует на материальные тела и физические процессы.

Представляется, во-первых, что гравитационные волны должны распространяться в пустоте с той же скоростью, что и электромагнитные, т.е. со скоростью света.

Во-вторых, они так же, как электромагнитные, должны быть поперечными: силовое воздействие на массы они будут оказывать в плоскости, перпендикулярной к направлению своего распространения. Так, если, скажем, плоская гравитационная волна падает на вещество, то по двум взаимно перпендикулярным направлениям оно будет сжиматься или растягиваться. Представьте, что волна направлена вдоль оси цилиндра. Наблюдая сечение цилиндра, вы увидите, что он будет принимать форму эллипса, вытягивающегося попеременно то в вертикальном, то в горизонтальном направлении. Если же волна будет распространяться перпендикулярно оси цилиндра, то "дышать" станут его торцы. Интересная особенность: именно у гравитационных волн относительная сила воздействия возрастает с расстоянием между двумя пробными частицами или телами. Если тело протяженное, то сила, действующая на его концы, тем больше, чем больше тело.

Очевидно, в принципе можно создать источник гравитационного излучения в лаборатории: любое ускоренное движение массивного тела приведет к излучению гравитационных волн. Однако если представить, что при взрыве, скажем, урановой бомбы мощностью 17 килотонн поток гравитационной радиации достигнет лишь 10 ^-4 эрг/с, а полная энергия гравитационного излучения составит всего 10 ^-12 эрг, станет ясно, что эта идея мало реалистична. Для сравнения скажу, что электрическая лампочка в

стр. 12

карманном фонарике за 1 с потребляет энергию, равную 10 ⁷ эрг - в миллионы миллиардов раз больше, чем гравитационная энергия, выделяемая при взрыве атомного заряда. Другими словами, действие наземного источника гравитационного излучения настолько ничтожно мало, что до сегодня еще не придумана разумная схема опыта с приемником и передатчиком. Поэтому во всех лабораториях при изучении гравитационного излучения ориентируются на внеземные естественные источники.

В космосе происходят процессы, даже несопоставимые с самыми страшными катастрофами на Земле. Это реальное бытие Вселенной, ее "дыхание". Мощное гравитационное излучение ожидается, например, при прямом столкновении звезд. Взрывы звезд также способны порождать гигантские вспышки гравитационного излучения. Энергия "на месте происшествия" может достигать 10 ⁵⁴ эрг, хотя до Земли доходит лишь от 10 ³ до 1 эрга на 1 см ² . Сжатие - коллапс - звезд и поглощение материи так называемой "черной дырой" способно сопровождаться импульсом гравитационного излучения, которое у поверхности Земли создает кратковременный поток волн с плотностью энергии до 10 ⁴ эрг на 1 см ² .

Подобные катастрофы порождают кратковременные всплески. Однако существуют также и источники непрерывных гравитационных волн. Это в первую очередь двойные звезды, которые вращаются вокруг общего центра тяжести и посылают строго гармонические волны тяготения; их максимальная интенсивность соответствует частоте, равной удвоенной частоте обращения звезд. Большая часть потока мощности направлена вдоль оси вращения звезд.

В общем, как свидетельствует теория, ожидаемая плотность энергии гравитационного излучения лежит в пределах от 10 ^-4 до одного эрга на 1 см ² . Следует представить, какова при этом окажется деформация пространства. Электромагнитная волна тоже как-то деформирует пространство, правда, это "замечают" только заряженные частицы, например электроны, которые под ее воздействием сдвигаются в определенном направлении. Таким образом, по сдвигу электрона - пробной частицы - можно обнаружить волну Гравитационная же волна изменяет силу притяжения между массами или частицами. Поэтому ее обнаружить можно только, если есть как минимум две пробные массы. Если расстояние между ними не превысит 1 м, то их сближение или удаление под действием волны должно быть от 10 ^-19 до 10 ^-17 см. Наглядно представить себе столь малую величину конечно, непросто...

Практическое применение в измерениях нашли моноблочные антенны - так называемые антенны Вебера:

сплошные массивные бруски или цилиндры. Схематично принцип их действия в том, что, когда гравитационная волна падает перпендикулярно продольной оси цилиндра, то, взаимодействуя с веществом антенны, она вызывает продольные упругие колебания, которые преобразуются в электрические сигналы либо непосредственно, если вещество антенны является пьезоматериалом, либо с помощью пьезодатчиков, приклеенных на ее поверхность, либо другим, не менее чувствительным механоэлектрическим преобразователем. Антенна, с которой работал сам Вебер, была выполнена из блока алюминия длиной в 1,5 м, диаметром 60 см. Она весила 1,5 т. Антенна подвешивалась горизонтально с помощью прочных нитей к специальной подставке, размещенной в вакуумной камере. Вся аппаратура имела надежную сейсмическую изоляцию от фундамента и различных внешних устройств. Такая антенна способна была обнаружить гравитационные волны, которые вызывают смещения порядка 10 ^-14 см. Но как выяснилось, чувствительность требовалась примерно в тысячу раз большая.

Пришлось начинать, как говорится, сначала. С теории гравитационных антенн, которой не существовало. Чтобы понять суть дела, надо несколько углубиться в технологию.

Основная помеха при обнаружении малых колебаний, создаваемых в антенне проходящей гравитационной волной, - это тепловые колебания самой антенны. Ускоре-

стр. 13

ние частиц, вызванное тепловыми (броуновскими) колебаниями, выражается формулой, содержащей как неизменные для данного эксперимента параметры (универсальная постоянная Больцмана, частота гравитационной волны и т.д.), так и некоторые параметры, которыми может распоряжаться экспериментатор. Ускорение пропорционально температуре антенны и обратно пропорционально ее массе и добротности. Следовательно, вывод из формулы однозначен: чем выше температура, тем больше так называемые "тепловые шумы", и антенну надо охлаждать. Второй вывод из формулы - увеличение массы антенны. Большинство экспериментаторов пошло именно таким путем. Американская лаборатория Стэнфордского университета создает, например, пятитонный приемник, охлажденный до температуры, приближающейся к температуре абсолютного нуля!

Мы решили выбрать другой путь, как нам кажется, более эффективный, обратив внимание еще на один параметр в упомянутой формуле, - на добротность. Добротность характеризуется показателем - во сколько раз энергия, запасенная приемником во время колебаний, больше энергии, теряемой за один период. Проще говоря, сколь долго антенна "помнит" приходящий импульс. Повышение добротности - самостоятельная и очень интересная задача. На добротность антенны влияет множество зачастую противоречивых факторов. Подбор удачного их сочетания зависит целиком от искусства экспериментатора. Добротность приемника Вебера была 10 ⁵ . Нам удалось добиться добротности 5 * 10 ⁹ , т.е. превысить показатель в 50 тысяч раз.

Прежде всего был важен выбор материала. Мы выяснили, что лучше всего отвечает требованиям монокристаллический сапфир. Колебания в таком монокристалле чрезвычайно медленно затухают, или, как говорят специалисты, имеют малую диссипацию. Если диссипативные свойства алюминия характеризуются величиной 2 * 10 ² , то для сапфира она равна 10 ⁶ . При таком медленном затухании и броуновские колебания "растягиваются" во времени, и тогда на их фоне всякие кратковременные всплески становятся отчетливо различимыми. Попутно проявляется еще одно преимущество этого материала. При переходе от металлической антенны к сапфировой мы, увеличив добротность, можем позволить себе уменьшить ее массу и объем, а это, в свою очередь, приведет к улучшению условий охлаждения. Охлаждение получится более равномерным и более глубоким.

Но такой монокристалл необходимого размера и необходимой чистоты в природе не найдешь. А вырастить его в лаборатории - весьма не простая задача. В Институте кристаллографии АН СССР сумели с ней справиться. Здесь вырастили монокристалл сапфира весом в 6 кг! Так решилась наша первая проблема - свести к минимуму влияние броуновских колебаний.

Далее встала не менее трудная задача - создать устройство, которое, не внося помех, измеряло бы ультрамалые колебания антенны. Трудности возникли не только экспериментальные, но и принципиальные. Пытаясь измерять столь малые смещения, мы вторглись в область квантово- механических измерений.

Квантовая механика говорит: если изучаются свойства электронов или других объектов микромира, то вмешательства неизбежно приведут к нарушению состояния этого объекта, причем вносимое нарушение непредсказуемо. Более того, оно - необходимое следствие законов квантовой механики. Например, если вы измеряете координату электрона с высокой степенью точности, ваше вмешательство обязательно "толкнет" электрон с непредсказуемой силой. "Толчок" на языке теории называется импульсом. Следующее измерение даст уже другую координату, отличную от первой. Аналогичное аккуратное измерение импульса электрона сдвигает его координату Ситуация, весьма неприятная на первый взгляд, становится еще более неприятной при детальном изучении. Достаточно перечислить имена ученых, которые бились над этой проблемой в 20 - 30-е годы, чтобы понять ее серьезность: Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули и другие. Итак, при детальном рассмотрении следует вывод, что непредсказуемое нарушение является прямым следствием фиксирования информации о координате частицы или ее импульсе. Это нарушение не зависит ни от способа получения информации, ни оттого, где она фиксируется, - в мозгу экспериментатора или на магнитной ленте. Пока информация находится где-то вне исследуемой частицы, все последующие измерения покажут, что нарушение имело место. Единственный путь избежать этого - "вернуть измерительную аппаратуру в исходное положение", и следовательно, вернуть информацию частице.

Существует и принцип неопределенности Гейзенберга, по которому нельзя измерить с одинаковой степенью точности и координату частицы, и ее импульс. Если ЛХ - точность, или ошибка в измерении координаты, ЛР - точность, или ошибка в измерении импульса, то по принципу неопределенности их произведение есть величина постоянная. Стало быть, чем точнее мы определяем координату, т.е. чем меньше ЛХ - ошибка в измерении координаты, тем больше будет ЛР - ошибка в измерении импульса, и обратно.

Но вернемся к нашей задаче. Существует красивая математическая теория оптимальной квантовой фильтрации. Она доказывает, что можно точно произвести то или иное измерение или комбинацию измерений. К сожалению, теория не разъясняет, каким именно образом они реализуются технически. Поиски же гравитационных волн требуют осуществления таких квантовомеханических измерений на практике. Точность фиксации отклонения антенны должна быть около 10 ^-17 см или меньше на протяжении времени примерно в 0,001 с, что соответствует длительности вспышки гравитационного излучения. Если антенну, которая представляет собой массивное металлическое тело, подвесить горизонтально, то в интервалы времени, равные 0,001 с, она будет вести себя как свободное тело или как электрон в нашем теоретическом рассуждении. И, как электрон, будет подчиняться законам квантовой механики.

Выходит, что квантовая механика завела в тупик под именем "принцип неопределенности", и никогда нельзя получить необходимое разрешение антенны. Но есть одно обстоятельство, несколько облегчающее жизнь. Речь идет о строгой гармоничности ожидаемых колебаний антенны. При непрерывной передаче информации микросмещений макросистеме, безусловно, без принципа неопределенности не обойтись.

Наука в СССР N 4, 1982

Permanent link to this publication: