О значении открытия научной коллаборации LIGO и его влиянии на развитие астрономии, физики и научный прогресс
11 февраля 2016 года в ходе пресс-конференции научной коллаборации LIGO в Вашингтоне было объявлено об экспериментальном открытии гравитационных волн. Мы попросили экспертов ПостНауки рассказать о значении этого открытия для развития их дисциплин.
«Астрофизика становится похожа на физику частиц»
Традиционно, в астрономических наблюдениях при открытии нового излучения говорят о новом окне во Вселенную. Люди тысячи лет наблюдали небо визуально, потом начали строить оптические телескопы, но это все тот же диапазон, доступный глазу. Затем научились использовать в астрономии рентгеновское, радио и инфракрасное излучение, космические лучи. Предпоследним новым потоком информации стали нейтрино, нейтринная астрономия получает частицы из центра Солнца. Это безусловно новые окна. И теперь есть гравитационные волны. Например, когда сливаются две черные дыры, все, что происходит — это гравитационно-волновой всплеск. Гравитационные волны — единственный способ изучать такие события.
В 2016 году мы наверняка услышим о слиянии двух нейтронных звезд, это тоже очень интересно. Такое слияние еще не было гравитационно зафиксировано. Сейчас мы более-менее уверены, что короткие гамма-всплески — это слияния нейтронных звезд, так говорит стандартно-устоявшаяся модель. Но нам фантастически важно одновременно увидеть короткий гамма-всплеск и гравитационно-волновой сигнал от того же самого события. Когда у LIGO начали появляться кандидаты в гравитационно-волновые всплески, они специально анализировали результаты рентгеновских и гамма-наблюдений: не видно ли и так всплесков. Команда LIGO выдает запросы наблюдателям, чтобы они проанализировали свои данные в других диапазонах. В этот раз ничего не обнаружили, что и неудивительно — ведь сливались черные дыры, а не нейтронные звезды.
Астрофизика становится похожа на физику частиц. Физики сталкивают протоны и смотрят, что получается в итоге. А мы теперь имеем возможность наблюдать столкновения нейтронных звезд для того, чтобы узнать как они устроены внутри. Но это спустя какое-то время, а сейчас полученные результаты по всплеску 14 сентября будут одним из лучших доказательств существования черных дыр. У теоретиков есть множество моделей для их описания, я думаю, какие-то альтернативные модели будут отброшены. Пока все говорит о том, что черные дыры очень похожи на наши базовые представления о них. Для астрономии и астрофизики это существенный результат.
Сергей Попов
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ
«Данное открытие объясняет проблему дальнодействия»
На данный момент научное сообщество эффективно умеет использовать обычную астрономию в видимом диапазоне электромагнитных волн, рентгеновскую астрономию и, наконец, радиоастрономию. Также ученые наблюдают и изучают
потоки других элементарных частиц, которые приходят на землю из космоса. Все это суть — способы, которые позволяют нам наблюдать, описывать и предсказывать различные явления в космосе. С экспериментальным подтверждением существования гравитационных волн появится гравитационная астрономия, то есть еще один способ наблюдений и понимания процессов, происходящих в космосе. 11 февраля ведь было объявлено не просто об обнаружении гравитационных волн, а о том, что те волны, которые были зарегистрированы, родились в результате давнего слияния черных дыр с колоссальным выделением энергии. К тому же, в процессе исследования ученые уже разработали новые приборы и решили существенную часть необходимых для этого технических вопросов. С улучшением приборов и технических возможностей будут обнаружены и другие источники гравитационных волн, будет уточнено их положение в небе и другие характеристики (массы, размеры, скорости, ускорения и т.д.). Все это предмет такой наблюдательной науки как астрономия, которая дает нам способ независимой проверки и отработки теорий, придуманных на кончике пера.
Другое следствие данного открытия объясняет проблему, о которой знал еще Ньютон. Как известно, закон Ньютона гласит, что величина силы гравитационного притяжения падает с расстоянием как обратный квадрат. То есть фактически зависит только от расстояния. Проще говоря, сила устроена так, что, если что-то тряхнет одно из тел, то второе мгновенно это почувствует, так как расстояние между телами поменяется. И это произойдет вне зависимости от того на каком расстоянии они находились исходно. Это называется «дальнодействием». Проблему с дальнодействием знал еще Ньютон. Та же проблема возникает в законе Кулона. В этом случае она решается за счет того, что имеется электромагнитное поле: вы тряхнете заряд, он родит электромагнитную волну, она дойдет до второго заряда, и второй заряд только тогда почувствует тряску первого. После открытия общей теории относительности решение данной проблемы в гравитации мы тоже знаем: воздействие на одну массу создает гравитационную волну, которая доходит до второго тела, и только после этого второе тело чувствует изменение в положении первого. В теории все понятно, но было необходимо независимое экспериментальное подтверждение. Соответственно, сейчас концептуально проблема решена: такие волны существуют, и они передают гравитационное взаимодействие.
Разумеется, факт наличия гравитационных волн не ставился под сомнения никем из людей, понимающих суть явления. Крайне интересно было бы, если бы их вдруг не нашли. Это означало бы, что либо теория относительности не верна, либо мы абсолютно неправильно понимаем природу явления, а именно, что дальнодействие возможно. На мой взгляд последнее противоречило бы здравому смыслу, но ничего нельзя исключить. Ученые стремятся проверить любое свое утверждение всеми возможными и независимыми способами. Это и отличает ученых от шарлатанов, предлагающих теории, которые объясняют все и сразу.
Эмиль Ахмедов
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова, доцент кафедры теоретической физики МФТИ, доцент факультета математики НИУ ВШЭ
«С этим открытием начинается гравитационно-волновая астрономия»
Открытие гравитационных волн — фундаментальное открытие. Гравитационные волны никто никогда прямо не наблюдал, хотя были явные свидетельства того, что они существуют в природе. Еще около 25 лет назад было обнаружено, что есть два пульсара, которые вращаются друг вокруг друга и излучают гравитационные волны. В результате они приближаются, период их вращения друг вокруг друга уменьшается. Но это были лишь косвенные свидетельства существования гравитационных волн. Теперь они напрямую обнаружены. В свое время Генрих Герц обнаружил электромагнитные волны, теперь у человечества есть гравитационные.
Это важно с точки зрения астрономии, потому что эти волны — еще один носитель информации о том, что происходит во Вселенной. С этим открытием начинается гравитационно-волновая астрономия, а это потенциально очень интересная область. Она дает информацию нового типа по сравнению с астрономией в электромагнитном излучении или астрономией в нейтринном излучении. То, что мы знаем на данный момент, — это уже очень нетривиальная информация. Гравитационные волны, которые были обнаружены, образуются при слиянии двух черных дыр очень большой массы — 30 масс Солнца. Это неожиданность для астрофизиков и астрономов. Вопрос их происхождения очень интересен с точки зрения изучения того, что происходит во Вселенной.
Прогнозировать, во что выльется открытие гравитационных волн в практическом плане, трудно. Когда Генрих Герц обнаружил электромагнитные волны, он был уверен, что это никому никогда не понадобится. Сейчас мы имеем телевидение, телефон — основой всему этому являются электромагнитные волны. Как можно использовать гравитационные волны, сейчас очень трудно представить, но любое фундаментальное открытие для человечества как минимум обогащает наше представление о природе.
Валерий Рубаков
доктор физико-математических наук, академик РАН, заместитель директора Института ядерных исследований РАН
редакция проекта ПостНаука
