Чем мир держится?

Для теории Максвелла механические модели так же невозможны, как для теории Эйнштейна; а как сам Максвелл в свое время пытался найти их! Не смог. Обошелся.

Электромагнетизму сегодня отсутствие механической наглядности прощается — за верную службу.

Значит, все дело в том, чтобы найти способы обуздать тяготение, управлять нм — тогда оно догонит по степени понятности электричество. Иначе с общепринятой загадочностью тяготения ничего не сможет сделать и та теория гравитации, что сменит когда-нибудь теорию Эйнштейна, — не сможет, как бы глубоко ни заглянула новая законодательница тяготения в его механизм. Ей же ей, это будет действеннее даже, чем изучение общей теории относительности в школе — такое обучение, кстати, уже стало правилом в некоторых школах и у нас, и за рубежом.

А вот управление тяготением, активная утилизация его, генерирование и укрощение — все это дело будущего.

Завтра или никогда

Волны кривизны, или в небо, за звездами

Кто не видел волн на воде — набегающих на морской берег, ряби на реке под легким ветром, кругов, расходящихся от брошенного в пруд камня? Мы знаем радиоволны, знаем, что свет — это тоже волны; квантовая механика категорически подчеркивает волновые свойства элементарных частиц.

Чем же на этом фоне так уж выделяются гравитационные волны, что они собой представляют? Или должны представлять, поскольку пока они только предсказаны, только вычислены, только описаны. — и не более того…

Уравнения Эйнштейна гораздо сложнее уравнений Максвелла. Но структура тех и других уравнений сходна. Из теории Максвелла следовало, что при неравномерном движении электрического заряда возникают электромагнитные волны. Именно таково в конечном счете происхождение и радиоволн, и рентгеновских лучей, и самого обыкновенного видимого света.

Немецкий физик Генрих Герц впервые в опыте показал реальность электромагнитных волн. Это случилось в 1888 году.

Понадобилось всего семь лет, чтобы Александр Попов превратил электромагнитные волны в средство коммуникации, и человечество получило радиосвязь.

Так вот, неравномерное движение «гравитационных зарядов» (а такие «заряды», как вы знаете, несут все известные нам тела) тоже должно создавать волны, только, естественно, гравитационные. Поскольку же гравитация тесно связана с геометрическими свойствами пространства, то колебания поля тяготения есть колебания кривизны пространства[20].

Необходимая оговорка: польский физик Леопольд Инфельд доказывал, что гравитационные волны невозможны, невозможен реальный перенос ими энергии. Но мало кто из теоретиков разделяет сегодня эту точку зрения.

Равномерное движение в нашем мире встречается не так уж часто. Движение Земли и других планет вокруг Солнца — движение с угловым ускорением, значит, неравномерное. Любое космическое тело при движении по своей орбите излучает гравитационные волны, они рождаются и при любых столкновениях тел, при взрывах — словом, буквально всюду.

Мир должен быть пронизан гравитационными волнами. А поскольку они подчиняются законам квантовой механики, то являются одновременно материальными частицами, имеют массу. По некоторым подсчетам, около трети всей массы-энергии в нашей Вселенной составляют именно гравитоны, родившиеся в течение тех десяти — двадцати миллиардов лет, которые отводят астрофизики на существование Метагалактики. В каждом кубическом сантиметре космического пространства содержится, возможно, десять в минус тридцатой степени грамма гравитонов — столько же, сколько (в среднем) всей видимой материи — от звезд до фотонов (еще треть массы мира составляют, возможно, нейтрино). И вот это-то грандиозное явление пока что только описано, но не обнаружено. Причина — та самая слабость силы тяготения, о которой уже столько раз говорилось. Вот какой пример приводит В. Борисов в книге «Загадка тяготения»: «Если взять несколько брусков кварца массой в 1 т, возбудить в них такие упругие колебания, что бруски будут колебаться в режиме, близком к разрушению (на это понадобится 108 Вт мощности), мощность всего гравитационного излучения составит 10-21 Вт».

Коэффициент полезного действия в этом случае составит одну стомиллионную долю от одной квадриллионной доли: десять в минус двадцать девятой степени.

Пожалуй, только в области тяготения ученым приходится практически иметь дело с десятками, над которыми стоят в качестве показателей степени столь огромные отрицательные числа! Тут гравитационщикам не позавидуют даже специалисты по элементарным частицам.

Причем Борисов еще считает нужным оговорить, что приведенный им пример — «один из наиболее удачных в отношении коэффициента полезного действия».

Мало того. При приеме излученной гравитационной энергии нам придется иметь дело с той же величиной КПД. Значит, при массе излучателя в одну тонну на приемной гравитационной антенне придется измерять величину, равную всего-навсего десяти в минус пятидесятой степени ватта. Похоже, что бессмысленно передавать эту чудовищно малую величину словами, лучше написать так: 10-50.

Но ведь в мире столько природных источников гравитационных волн! Вселенная просто переполнена ими. Однако ближайшие из них тоже не отличаются мощностью. Самая большая планета Солнечной системы, Юпитер, излучает в виде гравитационных волн ровно столько энергии, сколько достаточно для электролампочки в четыреста пятьдесят ватт. Не густо. Что говорить об остальных планетах?

Зато чем дальше в космос, тем больше мы встретим мощных генераторов гравитационного излучения. При некоторых взрывах сверхновых звезд, при гравитационном коллапсе (если он происходит несимметрично, то есть вещество звезды не устремляется к ее центру со всех сторон с одной и той же скоростью), при столкновениях нейтронных звезд и черных дыр гравитационные волны должны излучаться в огромных количествах. Предполагают, что тут возможен КПД перехода массы-энергии в гравитационное излучение, равный десяткам процентов. Энергия такого излучения оценивается теперь в эргах числом, равным десяти в пятьдесят второй— пятьдесят пятой степени. Снова огромная величина показателя степени, но теперь со знаком плюс! Вот как пополняются «запасы» гравитонов в Метагалактике, составляющие, возможно, до трети ее массы. Но гравитационные волны от мощных взрывов всех видов рассеиваются в пространстве равномерно, до Земли доходит ничтожная доля их энергии. А КПД земной гравитационной антенны по-прежнему чрезвычайно низок.

И все-таки охота за гравитационными волнами началась. Ученый, который их обнаружит, станет новым Генрихом Герцем.

Ловля гравитонов — занятие сложное. Чтобы поймать радиоволну, как и любую электромагнитную волну, достаточно в принципе всего-навсего одного электрического заряда. Волна заставит его сместиться, а это смещение можно измерить.

Есть два основных способа принять гравитационные волны из космоса. Можно использовать то обстоятельство, что гравитационное излучение взаимодействует с электромагнитным полем и способно возбудить в нем колебания, которые и подлежат измерению. Можно измерить смещение тел в высокочувствительной механической системе. Именно этим и занимался в 1968–1971 годах профессор Мерилэндского университета в США Джозеф Вебер.

…На тонких нитях к раме из стальных блоков, разделенных резиновыми прокладками, подвешен алюминиевый цилиндр длиною полтора метра, диаметром шестьдесят сантиметров и весом полторы тонны. На поверхность цилиндра наклеены пьезодатчики, переводящие его механические колебания в электрические. Все это сооружение помещено в вакуумную камеру. Второй такой же цилиндр был установлен на расстоянии в тысячу километров от первого.

С помощью сейсмографов, акустических датчиков, наклономеров стремились отсеять все колебания, вызванные внешними воздействиями, не связанными с гравитационными волнами. Оставались, правда, неустранимы слабые колебания, причиной которых были тепловые шумы — результат броуновского движения молекул.

20

Впервые идея о возможности волн гравитации была высказана еще до возникновения общей теории относительности Б. Б. Голицыным в его переписке с П. Н. Лебедевым.