Есть ли скорость у гравитации или она бесконечно быстра и пронизывает всё пространство?

На протяжении сотен лет, начиная со времен Ньютона и Лагранжа, ученые предлагали множество ответов на вопрос о точной скорости гравитации. Два основных предположения состояли в том, что гравитация или бесконечно быстра и пронизывает всё пространство, или распространяется со скоростью света.

Начнем с мысленного эксперимента.

Предположим, в этот самый момент Солнце каким-то образом исчезло. Не просто погасло, а полностью исчезло, совсем. Тогда последний солнечный лучик, двигаясь со скоростью света 300 тыс. км в сек., преодолеет расстояние между Землёй и Солнцем, 150 млн. км, за примерно 8 минут 20 секунд, прежде чем небо резко потемнеет.

Но если Солнце исчезнет, ​​оно не только перестанет излучать свет, но и перестанет оказывать гравитационное воздействие, удерживающее планеты на орбитах. Может ли произойти так, что об отсутствии Солнца мы узнаем ещё быстрее — когда Земля вдруг изменит свою траекторию?

Вопрос сейчас, с вершин нашего понимания Вселенной, может показаться странным: согласно теории относительности Эйнштейна, ничто в мире не может двигаться сквозь пространство быстрее скорости света! Любые физические объекты, да, не могут, но является ли гравитация таким объектом?

Пока мы не нашли частицу, которая могла бы отвечать за гравитацию. Гипотетический безмассовый гравитон, предложенный в 1930-х годах, так и не был обнаружен.

С текущими технологиями надеяться как-то найти доказательства существования этой частицы смысла нет. А если гравитация связана не с частицами, а с самой тканью пространства?

Возможно, она может перемещаться и быстрее скорости света?

Может, её скорость вообще бесконечна, и она присутствует всегда и везде?

Сэр Исаак Ньютон, создавший первую сложную теорию гравитации, был убежден, что скорость гравитации бесконечна. И базировал на этом все свои расчеты.

Он первым показал, что движение объектов на Земле и небесных тел можно объяснить одними и теми же принципами. И даже предсказал, что Земля должна быть приплюснута на полюсах. Впрочем, его заключения по поводу движения тел в Солнечной системе слегка не соответствовали реальным движениям небесных тел: он не подозревал о теории относительности.

До открытий Эйнштейна оставалось больше двух сотен лет.

С другой стороны, Альберт Эйнштейн, как ему и положено, считал, что гравитация движется со скоростью света. Он сказал бы, что люди одновременно и заметят исчезновение Солнца, и почувствуют резкий толчок, который пошлет Землю по прямой куда-то в глубины Вселенной.

И что, Эйнштейн был прав?

Как видно на примере с классической механикой Ньютона, можно быть правым в деталях, но неверным глобально.

Если теория отлично объясняет один аспект Вселенной (движение ближайших к нам небесных тел), это не значит, что она непогрешима во всем.

И мы, собственно, уже это знаем: теория относительности несовместима с квантовой физикой.

Вполне рабочие формулы электродинамики не сочетаются с теорией гравитации Эйнштейна.

Мы используем их по отдельности, предпочитая не замечать этот факт, но параллельно.

Уже почти сто лет лучшие умы мира бьются, пытаясь создать "Теорию Всего" и как-то помирить эти разные модели.

Измерение гравитационных волн

Само существование гравитационных волн было под большим вопросом ещё со времен Пуанкаре, который ввёл этот термин.

Все расчеты Эйнштейна, подхватившего его идею, сходились, а теория относительности получила экспериментальное подтверждение благодаря затмению Солнца в 1919 году, показавшему серьезное искривление света. Поэтому большинство ученых считали, что волны существуют.

Оставалось только их обнаружить.

Хотя гравитационное излучение было предсказано Эйнштейном еще в 1916 году, ученым потребовалось больше пятидесяти лет, чтобы как-то его засечь. В 1974 году астрономами была наконец найдена система с двойным пульсаром, и с её помощью за несколько лет мы подтвердили факт существования гравитационных волн. Общая теория относительности предсказывала, что две нейтронные звезды будут излучать гравитационные волны при движении вокруг общего центра масс, постепенно сближаясь, и уменьшение орбитальной энергии найденной системы в точности соответствовало предсказаниям теории Эйнштейна. За 10 лет орбитальный период системы уменьшился на 76 миллионных секунды в год.

В 1994-м для поиска гравитационных волн в США начали строить детектор LIGO — две одинаковые гигантские трубы длиной по 4 километра, совмещенные друг с другом под углом 90 градусов, образуя букву «Г». Далее через трубу пускался лазер, и, используя комбинацию зеркал и зная частоту луча лазера, измерялась разница в длине труб (разница в расстоянии, пройденном каждым лучом, создавала бы разность фаз между ними).

Поскольку трубы «смотрят» в разных направлениях, гравитационные волны при прохождении повлияют на длину труб по-разному, позволяя ученым засечь эти колебания (а также, может быть, засечь их скорость, то есть скорость распространения гравитации в пространстве).

Таких гигантских детекторов в США было построено два: на севере и на юге страны, ровно в 3000 км друг от друга. Дистанция тоже была выбрана не случайно: предполагалось, что если волны будут двигаться со скоростью света, это позволит детекторам засечь их с разницей ровно в 10 миллисекунд.

Лаборатории были запущены в 2002 году. И собирали данные каждый день до 2010 года. Следов гравитационных волн обнаружено не было.

В 2010-м начался процесс улучшения детекторов — установка новых лазеров и оборудования, чтобы в 4 раза повысить чувствительность сенсоров, это длилось 5 лет. Зато почти сразу же после включения устройство обнаружило свою первую гравитационную волну.

14 сентября 2015 года были засечены две черные дыры порядка 30 солнечных масс каждая, которые слились на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли, судя по характеру затухания волн.

В июне 2016 года — ещё один сигнал, слияние двух черных дыр в 14 и 7,5 раза массивнее Солнца.

В январе 2017 года — слияние двух черных дыр в 31 и 19 раз массивнее Солнца.

В августе 2017 года — слияние двух черных дыр в 30 и 25 раз массивнее Солнца.

В целом за время своей работы к настоящему моменту лаборатории засекли уже несколько десятков слияний.

Первое официальное подтверждение существования гравитационных волн! Не просто излучения, как в 1974-м, а именно волн! Очень волнующий момент в истории астрономии.

Но ответа на вопрос о скорости гравитации он так и не дал. Для этого нужен был другой эксперимент.

Дело в том, что сигнал на датчиках-интерферометрах длится доли секунды. Может показаться, что это очень мало, но при измерении скоростей, близких к скорости света, это совсем не та точность, которая нужна. Расстояние в 3000 км между двумя лабораториями давало разницу в 10 миллисекунд, как и предсказывалось, но из-за мельчайших помех, которыми могли служить даже далекие подземные толчки в другой части континента, часто разница была заметно больше.

Было видно, что скорость гравитации близка к скорости света, но насколько близка?

Как можно измерить ещё точнее?

Способ есть.

Слияние двух черных дыр — не единственное событие галактического масштаба. Большие гравитационные волны также могут быть вызваны столкновениями нейтронных звезд. Нейтронные звезды похожи на черные дыры, только они немного меньше и немного светлее. Кроме того, когда нейтронные звезды сталкиваются друг с другом, они не только дают гравитационное излучение, но и испускают мощную вспышку света, которую мы можем наблюдать.

Чтобы определить скорость гравитации, ученым нужно было увидеть слияние двух нейтронных звезд. И посмотреть, какая задержка будет между моментом обнаружения света от них и появлением сигнала волн гравитации на детекторах LIGO.

17 августа 2017 года астрономы наконец получили свой шанс.

Детекторы зафиксировали какие-то очень странные, продолжительные волны. Все предыдущие события длились не больше секунды, а здесь сигнал шел больше 100 секунд. Частота колебаний была в сотню раз выше — объекты вращались с невероятной скоростью, выдавая по тысяче циклов в секунду.

Если раньше сигналы исходили от пар черных дыр, сливающихся вместе, то здесь это были нейтронные звезды, в 1,1 и 1,6 раза массивнее Солнца, сцепившиеся друг с другом.

А спустя две секунды орбитальные обсерватории засекли гамма-излучение (которое является формой света), исходящее из того же места в космосе, — галактики, расположенной на расстоянии 130 миллионов световых лет от нас. Пройти такую дистанцию — и прийти в один и тот же момент! Никаких сомнений тут уже не оставалось.

Наконец-то, спустя 350 лет после первых расчетов Ньютона, астрономы нашли то, что было нужно для точного определения скорости гравитации.

Гравитация и свет дошли до Земли с интервалом в две секунды друг от друга, при том что они путешествовали около 130 миллионов лет. А это значит, что они имеют одинаковую скорость. Погрешности почти нет (2 секунды от 130 млн лет — это 4,8·10^-16).

Мы не знаем — возможно, гравитация при столкновении нейтронных звезд начинает расходиться чуть раньше света, или свет чем-то блокировался, или, вероятнее всего, причина небольшой задержки в датчиках.

Как бы то ни было, у нас есть ответ: гравитация и свет движутся с одинаковой скоростью.

Это еще раз говорит нам о верности теорий Эйнштейна и намекает на какую-то глубокую истину о природе пространства.

Теперь ученым остается понять, почему эти два очень разных физических явления — свет и гравитация — имеют одинаковую скорость.