Скорость гравитации мгновенна?
Из всех фундаментальных сил, известных человечеству, гравитация является одновременно самой знакомой и той, которая удерживает Вселенную вместе, соединяя далекие галактики в обширную и взаимосвязанную космическую паутину. Имея это в виду, возникает интересный вопрос, над которым стоит задуматься: имеет ли гравитация скорость? Оказывается, так и есть, и ученые это точно измерили.
Начнем с мысленного эксперимента. Предположим, в этот самый момент Солнце каким-то образом исчезло — не просто потемнело, а полностью исчезло. Мы знаем, что свет движется с фиксированной скоростью: 300 000 километров в секунду или 186 000 миль в секунду. Зная известное расстояние между Землей и Солнцем (150 миллионов километров или 93 миллиона миль), мы можем подсчитать, сколько времени пройдет, прежде чем мы здесь, на Земле, узнаем, что Солнце исчезло. Пройдет около восьми минут и 20 секунд, прежде чем полуденное небо потемнеет.
Но как насчет гравитации?
Если бы Солнце исчезло, оно не только перестало бы излучать свет, но и перестало бы оказывать гравитационное воздействие, удерживающее планеты на орбитах.
Когда мы узнаем?
Если гравитация бесконечно быстра, гравитация также исчезнет, как только Солнце исчезнет. Мы бы еще увидели Солнце чуть больше восьми минут, но Земля уже начала бы отдаляться, направляясь в межзвездное пространство. С другой стороны, если бы гравитация двигалась со скоростью света, наша планета продолжала бы вращаться вокруг Солнца, как обычно, в течение восьми минут и 20 секунд, после чего перестала бы следовать по привычному пути.
Конечно, если бы гравитация двигалась с какой-то другой скоростью, интервал между тем, когда поклонники Солнца, выходящие на берег, заметили, что Солнце исчезло, и моментом, когда астрономы заметили, что Земля движется в неправильном направлении, был бы другим.
Итак, какова скорость гравитации?
На протяжении всей истории науки предлагались разные ответы. Сэр Исаак Ньютон, который изобрел первую сложную теорию гравитации, считал, что скорость гравитации бесконечна. Он бы предсказал, что путь Земли в космосе изменится еще до того, как наземные люди заметили, что Солнце исчезло.
С другой стороны, Альберт Эйнштейн считал, что гравитация движется со скоростью света. Он бы предсказал, что люди одновременно заметят исчезновение Солнца и изменение пути Земли в космосе. Он встроил это предположение в свою общую теорию относительности, которая на данный момент является наиболее общепринятой теорией гравитации и очень точно предсказывает пути планет вокруг Солнца. Его теория делает более точные предсказания, чем теория Ньютона.
Итак, можем ли мы заключить, что Эйнштейн был прав?
Нет, мы не можем. Если мы хотим измерить скорость гравитации, нам нужно придумать способ ее прямого измерения. И, конечно же, поскольку мы не можем просто «исчезнуть» Солнце на несколько мгновений, чтобы проверить идею Эйнштейна, нам нужно найти другой способ.
Теория гравитации Эйнштейна сделала проверяемые предсказания. Самым важным из них является то, что он понял, что знакомую нам гравитацию можно объяснить искажением ткани пространства: чем больше искажение, тем выше гравитация. И эта идея имеет значительные последствия. Это предполагает, что пространство податливо, подобно поверхности батута, которая искажается, когда на нее наступает ребенок. Более того, если тот же самый ребенок прыгает на батуте, поверхность меняется: он подпрыгивает вверх и вниз.
Точно так же пространство может метафорически «подпрыгивать вверх и вниз», хотя точнее было бы сказать, что оно сжимается и расслабляется подобно тому, как воздух передает звуковые волны. Эти пространственные искажения называются «гравитационными волнами», и они будут распространяться со скоростью гравитации. Итак, если мы сможем обнаружить гравитационные волны, мы, возможно, сможем измерить скорость гравитации. Но искажать пространство способами, которые ученые могут измерить, довольно сложно и выходит далеко за рамки нынешних технологий. К счастью, природа нас выручила.
Измерение гравитационных волн
В космосе планеты вращаются вокруг звезд. Но иногда звезды вращаются вокруг других звезд. Некоторые из этих звезд когда-то были массивными, прожили свою жизнь и умерли, оставив черную дыру — труп мертвой массивной звезды. Если две такие звезды умерли, то могут возникнуть две черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга. На орбите они излучают крошечное (и в настоящее время необнаружимое) количество гравитационного излучения, которое заставляет их терять энергию и сближаться друг с другом. В конце концов две черные дыры сближаются настолько, что сливаются. Этот бурный процесс высвобождает огромное количество гравитационных волн. За ту долю секунды, когда две черные дыры встречаются, в результате слияния высвобождается больше энергии в гравитационных волнах, чем весь свет, излучаемый всеми звездами видимой Вселенной за то же время.
Хотя гравитационное излучение было предсказано еще в 1916 году, ученым потребовалось почти столетие, чтобы разработать технологию его обнаружения. Чтобы обнаружить эти искажения, ученые берут две трубки длиной около 4 километров каждая и ориентируют их под углом 90 градусов, чтобы они образовывали букву «L». Затем они используют комбинацию зеркал и лазеров для измерения длины обеих ног. Гравитационное излучение по-разному изменит длину двух трубок, и если они увидят правильную картину изменения длины, они наблюдают гравитационные волны.
Первое наблюдение гравитационных волн произошло в 2015 году, когда слились две черные дыры, расположенные на расстоянии более 1 миллиарда световых лет от Земли. Хотя это был очень волнующий момент в астрономии, он не ответил на вопрос о скорости гравитации. Для этого потребовалось другое наблюдение.
Хотя гравитационные волны испускаются при столкновении двух черных дыр, это не единственная возможная причина. Гравитационные волны также излучаются, когда две нейтронные звезды сталкиваются друг с другом. Нейтронные звезды также являются выгоревшими звездами — похожими на черные дыры, но немного легче. Более того, когда нейтронные звезды сталкиваются, они не только испускают гравитационное излучение, но и мощную вспышку света, которую можно увидеть по всей Вселенной. Чтобы определить скорость гравитации, ученым нужно было увидеть слияние двух нейтронных звезд.
В 2017 году астрономы получили свой шанс. Они обнаружили гравитационную волну, а чуть более двух секунд спустя орбитальные обсерватории обнаружили гамма-излучение, которое является формой света, из того же места в космосе, происходящего из галактики, расположенной на расстоянии 130 миллионов световых лет от нас. Наконец, астрономы нашли то, что им было нужно для определения скорости гравитации.
Слияние двух нейтронных звезд одновременно излучает и свет, и гравитационные волны, поэтому, если гравитация и свет имеют одинаковую скорость, их следует обнаружить на Земле одновременно. Учитывая расстояние до галактики, в которой находились эти две нейтронные звезды, мы знаем, что эти два типа волн путешествовали около 130 миллионов лет и прибыли с разницей в две секунды.
Итак, это ответ. Гравитация и свет движутся с одинаковой скоростью, что определяется точными измерениями. Это еще раз подтверждает Эйнштейна и намекает на нечто важное в природе пространства. Ученые надеются однажды полностью понять, почему эти два совершенно разных явления имеют одинаковую скорость.