Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

С  
-

The Belknap Press of Harvard University Press

Cambridge, Massachusetts | London, England

2017

RIPPLES IN SPACETIME

E, G W, 
  F  A

G S

Г Ш

С  
-

Э,
 
  

Москва
2019

Перевод с английского

ISBN 978-5-91671-847-8 (рус.)

ISBN 978-0674971660 (англ.)

© Govert Schilling, 2017
 
This edition published by arrangement with The 
Science Factory, Louisa Pritchard Associates and 
The Van Lear Agency LLC
© Издание на русском языке, перевод, 
оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2019

УДК 52-423
ББК 22.632
 
Ш58

Переводчик Наталья Колпакова
Научный редактор Олег Верходанов, д-р физ.-мат. наук
Редактор Антон Никольский

Шиллинг Г.

Ш58  
Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии /  Говерт Шиллинг ; Пер. 
с англ. — М. : Альпина нон-фикшн, 2019. — 423 с.

ISBN 978-5-91671-847-8

Гравитационные волны были предсказаны еще Эйнштейном, но обнаружить их удалось совсем недавно. В отдаленной области Вселенной коллапсировали и слились две черные дыры. Проделав путь, превышающий 
1 миллиард световых лет, в сентябре 2015 года они достигли Земли. Два 
гигантских детектора LIGO зарегистрировали мельчайшую дрожь. Момент 
первой регистрации гравитационных волн признан сегодня научным прорывом века, открывшим ученым новое понимание процессов, лежавших 
в основе формирования Вселенной. Книга Говерта Шиллинга — захватывающее повествование о том, как ученые всего мира пытались зафиксировать эту неуловимую рябь космоса: десятилетия исследований, перипетии судеб ученых и проектов, провалы и победы. Автор описывает на первый взгляд фантастические технологии, позволяющие обнаружить 
гравитационные волны, вызванные столкновением черных дыр далеко 
за пределами нашей Галактики. Доступным языком объясняя такие понятия, как «общая теория относительности», «нейтронные звезды», «взрывы 
сверхновых», «черные дыры», «темная энергия», «Большой взрыв» и многие другие, Шиллинг постепенно подводит читателя к пониманию явлений, положивших начало эре гравитационно-волновой астрономии, и рассказывает о ближайшем будущем науки, которая только готовится открыть 
многие тайны Вселенной.

УДК 52-423
ББК 22.632

Все права защищены. Никакая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было 
форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети интернет и в корпоративных 
сетях, а также запись в память ЭВМ для частного или пуб личного использования, без письменного 
разрешения владельца авторских прав. По вопросу организации доступа к электронной библиотеке 
издательства обращайтесь по адресу mylib@alpina.ru

Издание подготовлено в партнерстве 
с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория» 
(при финансовой поддержке Н.В. Каторжнова).

Фонд поддержки научных, образовательных и культурных ини циатив «Траектория» (www.traektoriafdn.ru) создан 
в 2015 году. Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию 
образовательных программ, повышение интеллектуального 
уровня и творческого потенциала молодежи, повышение 
конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей 
сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.
В рамках издательского проекта Фонд «Траектория» поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.

Содержание

Предисловие ............................................................................................ 9

Введение ..................................................................................................15

1. Знакомство с пространственно-временным континуумом.... 18

2. Все относительно ......................................................................39

3. Теория Эйнштейна проходит проверку ..................................61

4. А есть ли волны: дискуссия с переходом в потасовку ........85

5. Как живут звезды ....................................................................105

6. Точность часовых механизмов .............................................. 125

7. Лазерная эпопея ......................................................................146

8. Путь к совершенству ...............................................................166

9. О сотворении мира .................................................................. 191

10. Ложная тревога ........................................................................ 211

11. Попалась! ................................................................................. 234

12. Черная магия ............................................................................258

13. Нанонаука .................................................................................281

14. Быстрая реакция ..................................................................... 304

15. Прорыв в космос ..................................................................... 329

16. Новости гравитационно-волновой астрономии ..................353

После того как вышла эта книга .......................................................374

Приложение ...........................................................................................376

Авторство иллюстраций ......................................................................385

Примечания и дополнительная литература .................................... 387

Предметно-именной указатель ......................................................... 403

Предисловие

Среди выдающихся ученых Эйнштейн заслуженно занимает 
особое место. Его понимание пространства и времени полностью изменило наши представления о гравитации и космосе. Знакомый каждому образ веселого мудреца с седой шевелюрой тиражируется на плакатах и футболках, однако свои 
главные труды он завершил в молодости — мировая слава настигла его, когда ему не было и 40 лет. 29 мая 1919 г. произошло солнечное затмение . Группа под руководством астронома 
Артура Эддингтона фотографировала звезды вблизи Солнца , 
которые во время затмения становятся доступными для наблюдения. Измерения показали, что звезды смещены относительно нормального положения в небе, поскольку их свет 
отклоняется гравитацией Солнца. Это подтвердило один 
из ключевых прогнозов Эйнштейна. О результатах сообщили 
в Лондонском Королевском обществе, и мировая пресса подхватила новость. «Лучи искривляются в небесах: триумфальное подтверждение теории Эйнштейна!» — гласил несколько 
преувеличенный заголовок в Th e New York Times.
Общая теория относительности (ОТО ), предложенная 
Эйнштейном в 1915 г., — это торжество чистой мысли и научного прозрения. Практические следствия из нее нам, землянам, почти незаметны. Требуется разве что чуть-чуть подстраивать часы, используемые в современных сис темах навигации, 
но для запуска и сопровождения космических аппаратов достаточно наследия Ньютона .

Складки на ткани пространства-времени

10

Осознанная Эйнштейном  связь пространства и времени — тот факт, что «пространство указывает материи, 
как двигаться, материя указывает пространству, как искривляться», — играет решающую роль во многих космических 
явлениях. Однако проверить теорию, эффекты которой проявляются на огромном удалении, сложно. Почти полвека 
ОТО оставалась на обочине развития физики, но с 1960-х гг. 
накопилось достаточно свидетельств в пользу двух ключевых 
предположений Эйнштейна — Большого взрыва , предопределившего расширение Вселенной, и существования черных 
дыр (ЧД).
В феврале 2016 г., почти через 100 лет после знаменитого 
собрания Королевского общества, где прозвучал отчет об экспедиции астрономов, наблюдавших солнечное затмение , теория Эйнштейна была подкреплена заявлением — на сей раз 
в пресс-клубе в Вашингтоне — о регистрации обсерваторией 
LIGO * гравитационных  волн. Этой теме посвящена книга Говерта Шиллинга — увлекательное повествование, охватывающее период более 100 лет.
Эйнштейн  видел силу гравитации как «искривление» 
пространства. Меняя форму, гравитирующие объекты возбуждают волны в пространстве. Когда такая волна оказывается 
вблизи Земли , наша область пространства «дрожит» — попеременно растягивается и сжимается по мере прохождения сквозь нее гравитационных волн. Однако этот эффект 
практически незаметен, поскольку сила гравитации — слабое взаимо действие. Гравитационное притяжение объектов, 
окружающих нас в повседневной жизни, ничтожно. Взмахнув двумя гантелями, вы возбудите гравитационные волны, 
но пренебрежимо слабые. Даже планеты, вращающиеся 

* 
Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — Лазерно- 
интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. — 
Прим. ред.

Предисловие

11

вокруг звезд, или взаимно обращающиеся двойные  звезды 
не создают достаточно сильных волн, чтобы их можно было 
зарегистрировать.
Астрономы пришли к выводу, что источники, доступные 
для наблюдения LIGO , должны обладать намного более мощной гравитацией, чем обычные звезды и планеты. В идеале это 
события с участием ЧД. О существовании ЧД известно почти 
50 лет. Большинство являются остатками звезд в 20 и более 
раз массивнее Солнца . Такие звезды ярко светят и гибнут в катаклизме (о котором свидетельствует вспышка сверхновой ), 
причем их внутренняя часть коллапсирует  в ЧД. Звездная 
материя «изымается» из Вселенной, оставляя на покинутом 
пространстве гравитационный отпечаток.
Две ЧД, которым предстоит образовать двойную сис тему, 
постепенно сближаются по спирали. По мере их сближения 
прилегающее пространство испытывает все большее возмущение, наконец они сливаются в одну вращающуюся ЧД, которая колеблет пространство и «звенит», порождая все новые 
волны, пока не успокоится и не затихнет. Чирп  — сотрясение 
пространства, ускоряющееся и усиливающееся вплоть до момента слияния ЧД, а затем затухающее, — может зафиксировать LIGO . В нашей Галактике такой катаклизм случается 
реже чем раз в 1 млн лет. Однако подобное событие порождает сигнал, поддающийся регистрации LIGO, даже если происходит за 1 млрд световых лет* от нас — миллионы галактик 
находятся на меньшем расстоянии. Для обнаружения даже 
самых благоприятствующих наблюдению событий требуется 
невероятно чувствительная и очень дорогая аппаратура. В детекторах LIGO пучки мощного лазерного излучения проходят через четырехкилометровые трубы с вакуумом внутри 
и отражаются от зеркал, установленных в каждом торце труб. 
Анализируя параметры световых сигналов, можно выявить 

* 
Далее св. лет. — Прим. ред.