Речь пойдёт о гравитационных волнах, будто бы недавно зафиксированных лазерным интерферометром на установке LIGO в США (официальное сообщение от 11 февраля). Появились статьи с обсуждениями этого открытия, например, Игоря Иванова на Элементах <ИгИвановГравВолны> и Бориса Штерна в «Троицком варианте» <БШтернГравВолны>. Они вызвали большой интерес (на сегодняшний день число комментов к статье Иванова приближается к 800) — люди пытаются уяснить для себя те или иные моменты; изредка возникают скептики, ставящие под сомнение этот пока единичный, никем и ничем не подтверждённый результат, но их голоса тонут в хоре восторженных и одобряющих откликов. Как писал Иоганн Кеплер, известная шутка гласит: «Лучше я в это поверю, чем стану подробно разбираться».
Наконец первая бурная реакция начала затихать, и вот в ЖЖ Игоря Иванова 21.2.16 появилась новая его статья «Растягивают ли гравитационные волны свет?» <ИгИвановРастяжение>, которая затрагивает самые важные аспекты проблемы. Он пишет:
Рассказ о детектировании гравитационных волн в лазерном интерферометре часто вызывает такой совершенно естественный вопрос:
Если гравитационная волна растягивает-сжимает пространство, то она также должна растягивать-сжимать и длину волны света. Получается, как расстояние между зеркалами, так и сама «измерительная линейка» изменяются пропорционально друг другу. Каким же образом интерферометр умудряется детектировать гравитационную волну?
Кип Торн, с его полувековым опытом объяснения гравитационных волн и принципа их детектирования для самых разных аудиторий, говорит, что это вообще самый часто задаваемый вопрос на эту тему. В англоязычной литературе есть несколько публикаций, расписывающих ответ на этот «парадокс» на разном уровне, но на русском языке я что-то ничего не встретил. Поэтому я привожу пояснение здесь на максимально простом уровне, в общем-то пересказывая статью: Peter R. Saulson. If light waves are stretched by gravitational waves, how can we use light as a ruler to detect gravitational waves? // Am.J.Phys. 65, 501 (1997).
Обратим внимание: статья 1997 года, её автор — бывший официальный представитель LIGO и один из руководителей постройки установки.
Иванов разбивает свой ответ на сформулированный выше вопрос на несколько пунктов, из которых ключевое значение имеет первый из них:
1. Для начала — один технический, но важный момент. Многие знают, что гравитация может влиять на темп хода времени (см. фильм «Интерстеллар») и, как следствие, на скорость света, измеряемую по часам постороннего наблюдателя (эффект Шапиро). Поэтому может возникнуть подозрение, что гравитационная волна растягивает не только пространство, но и время, и вообще делает прочие нехорошие вещи.
К счастью, это не так. В поле гравитационной волны время течет как обычно и свет движется с неизменной скоростью. Так получается потому, что поле гравитационной волны допускает широкую свободу математического описания. Мы можем выбирать разные математические выражения для описания волны, но все они отвечают одной и той же физической ситуации. Это калибровочная симметрия, которую обычно рассказывают на примере электродинамики, но которая есть и для гравитации. Так вот, удобнее всего выбирать такое описание (т.е. такую калибровку), при котором никаких изменений ни со скоростью света, ни с течением времени не происходит. Все рассуждения и вычисления подразумевают обычно этот выбор.
* * *
С этими утверждениями я позволю себе не согласиться:
Как описано в моей брошюре 2000 года <Мемуар по относительности и единой теории поля> (c. 12, 18), гравитационный потенциал влияет на всё: на масштабы длины и времени (калибрует их), массы, заряды, но влияет так, что никаких видимых изменений законов природы не происходит — в ней имеет место быть масштабная инвариантность (скейлинг), и это фундаментальный факт. Поэтому считаю, что гравитационную волну (как распространяющееся возмущение гравитационного потенциала) нельзя обнаружить В ПРИНЦИПЕ.
https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSxFtt1SVBfsaKIMbRofVT4KtyLDHIk7O7K7LpNwAtCj0x964Nb
ДОБАВЛЕНИЕ от 24.02.16: В газете «Поиск» от 19.02.16 замечательно интересный обзор Светланы Беляевой — как зародилось и развивалось это научное направление (проблема детектирования гравитационных волн), роль отечественных физиков. Прямо сюжет для бестселлера: <ГравВолныИстория>.
* * *
ДОБАВЛЕНИЕ от 25.02.16: Посмотрел в ВИКИ о Джозефе Вебере — зачинателе всех этих дел. Интересная биография (кое в чём напомнила таковую Альберта Майкельсона): <ВИКИ-Вебер>. Постигнет ли экспериментаторов из LIGO участь Вебера?
* * *
ДОБАВЛЕНИЕ от 26.02.16. Важный исторический обзор в материале Ильи Хеля: <ГравВолныРозен>.
ЦИТАТА:
И некоторые люди заговорили, что даже если гравитационные волны существуют, их невозможно уловить.
В 1955 году Натан Розен попытался доказать, что гравитационные волны не переносят энергию, поэтому являются формально математическим конструктом без физического значения. Чтобы понять, представьте себе, что вы в океане, и океан сильно качает, но вы можете даже не ощутить этого, поскольку вы поднимаетесь и опускаетесь вместе с волной, а вместе с вами и все вокруг. Если гравитационные волны сравнить с глубоководной океанской качкой, будут ли они влиять на нас или же мы (и все вокруг) будем двигаться в унисон с этими волнами? Вот об этом сильно спорили в 50-х.
И как был решен этот вопрос?
Аргумент Розена был поднят на конференции в 1957 году в Чапел-Хилл, и весьма удачно некто по имени Феликс Пирани также оказался на конференции. Он решил взглянуть на работу общей теории относительности, используя очень практический подход, который миновал всю эту проблему с системой координат, и показал, что волны могут двигать частицы вперед и назад по мере прохождения.
Ричард Фейнман услышал речь Пирани и сказал как-то так: «Что ж, раз мы знаем, что частицы движутся, нам достаточно представить палку, а на палку поместить несколько шариков. Когда волна проходит, шарики будут двигаться вперед и назад, но палка будет оставаться жесткой, поскольку электромагнитные силы в палке будут пытаться удерживать атомы и электроны в том же положении, где они и были ранее. Значит, шарики будут скользить по палке, а трение будет производить энергию. И эта энергия должна браться от гравитационной волны. Следовательно, эта волна обладает энергия». Его знаменитый мысленный эксперимент с «липкими шариками» убедил кучу людей в том, что причин для скепсиса Розена просто нет. И тогда люди вроде Джо Вебера решили попытаться обнаружить гравитационные волны.
* * *
Ещё одна важная статья (об отношении Эйнштейна к гравитационным волнам) — Владимира Корягина на Лента ру: <ГравВолныЭйнштейн>.
* * *
ИНФО об этом событии в журнале «Science» — довольно скромно: <GW-Science>
* * *
ДОБАВЛЕНИЕ от 08.3.16
Критический обзор результата ЛИГО Геннадия Ивченкова: <ЛИГО.Ивченков>.
===================================================================