О красоте в науке
Итак, красота в науке. О красоте как критерии истины для физической теории говорил еще Поль Дирак (см. его книгу «Воспоминания о необычайной эпохе», где этот мотив встречается не раз – а эпиграфом к этой книге избраны его слова, написанные им в 1955 г. на доске в МГУ: «Физические законы должны обладать математической красотой» -- впрочем, в той же книге Дирак говорит, что подобную идею высказывал еще Эйнштейн). Конечно же, говоря о красоте в науке, мы будем говорить сейчас именно о красоте физической теории (а значит, и математических конструкций, причем именно абстрактных, а не, к примеру, геометрических – геометрическая красота обычно видна с первого взгляда, это и симметрия, на которой основаны разные орнаменты, и подобие, на котором основаны фракталы).
Что это такое – красота? Прежде всего, красота в случае теории – это богатство содержания, которое, понятно, тем ярче, чем, с одной стороны, более универсален результат (например, физический закон), а с другой, более компактна его форма. Чаще всего это означает компактность формулы, выражающей этот результат. Наверно, самым ярким примером богатства содержания является электродинамика Максвелла, в которой всего на основе двух инвариантов можно получить уравнения (1), форма которых совершенно компактна и симметрична, а в лоренц-ковариантной форме – их всего два (2), но при этом они описывают необыкновенно широкий спектр явлений, от совершенно практических задач до устройства мира и на микроскопическом уровне (атом), и на уровне Вселенной (излучение как один из главных видов материи в космологии).
Еще один явный признак красоты, связанный с первым – это скрытые возможности, не очевидные по изначальной формулировке теории -- то, что можно назвать «думающая теория». Подчас эти скрытые возможности оказываются совсем не предвидимыми обычным здравым смыслом (и не совместимыми со стереотипами здравого смысла, что особенно впечатляет), примером чего является история открытия античастиц – невозможно было и ожидать, что решение с отрицательной энергией имеет реальный смысл. Иногда эти скрытые возможности могут сигнализировать о какой-то еще более фундаментальной закономерности, которую невозможно было предвидеть с самого начала (как, скажем, уже не раз упомянутая зависимость результатов от способа вычисления в теориях с нарушением симметрии Лоренца означает нарушение законов сохранения – так называемые аномалии).
Частным случаем этого признака оказываются замечательные соотношения между разными элементами системы (или соотношения), приводящие к тому, что финальный результат обладает красотой, которой не обладают исходные выражения. Самым ярким примером такой красоты являются числа Фибоначчи, общая формула для которых включает иррациональные числа (разные степени числа, известного как «золотое сечение», то есть 1.61803..., и обратного к нему), однако, несмотря на это, все числа Фибоначчи – целые! К подобной же категории относятся и «чудесные сокращения» бесконечностей (это реальный термин в названии научной статьи!) в суперсимметричных теориях, из-за которых в некоторых случаях удается избавиться от бесконечностей полностью. Более простой пример подобного вида красоты – это множество красивых математических равенств, немалое число которых в свое время публиковалось в «Науке и жизни» в рубрике «Математические неожиданности», или, скажем, знаменитых равенств, выведенных Рамануджаном.
Еще один признак красоты – это гармония, наиболее яркой формой которой является симметрия. Эта симметрия прежде всего выражается в симметричной форме уравнений теории. В случае тех же уравнений Максвелла это, кроме лоренцевой симметрии, еще и симметрия между электрическим и магнитным полем, которая вызвала естественное желание искать аналог электрического заряда – магнитный заряд (магнитный монополь), существование которого вполне допускается теориями элементарных частиц наподобие разных версий Теории Великого Объединения. Более того, в некоторых случаях именно эта симметрия позволяет предвидеть свойства решения, то есть получать решение без вычислений. А в математике именно симметрия обусловливает красоту многих известных картинок (например, фракталов).
При этом практически вся эта красота вполне себе применяется к настоящим физическим теориям! И позволяет получать осмысленные выводы, например, та же дзета-функция от «неправильных», отрицательных аргументов применяется в теориях с конечной температурой. А это означает, что красота имеет глубинный, фундаментальный смысл и связана с гармонией мироустройства, не всегда заметной на первый взгляд.
Источник: istanaro.livejournal.com
Дополнение. Рассказ про бесконечную гостиницу
Приведём забавную фантастическую историю из книги Н. Я. Виленкина "Рассказы о множествах".
Действие происходит в далёком будущем, когда жители разных галактик могут встречаться друг с другом. Поэтому для всех путешествующих по космосу построена огромная гостиница, протянувшаяся через несколько галактик.
В этой гостинице бесконечно много номеров (комнат), но, как и положено, все комнаты пронумерованы, и для любого натурального числа n есть комната с этим номером.
Однажды в этой гостинице проходил съезд космозоологов, в котором участвовали представители всех галактик. Так как галактик тоже бесконечное множество, все места в гостинице оказались занятыми. Но в это время к директору гостиницы приехал его друг и попросил поселить его в эту гостиницу.
"После некоторых размышлений директор обратился к администратору и сказал:
- Поселите его в # 1.
- Куда же я дену жильца этого номера? - удивлённо спросил администратор.
- А его переселите в # 2. Жильца же из # 2 отправьте в # 3, из # 3 - в # 4 и т. д."
Вообще, пусть постоялец, живущий в номере k, переедет в номер k+1. Тогда у каждого снова будет свой номер, а # 1 освободится.
Таким образом, нового гостя удалось поселить - именно потому, что номеров в гостинице бесконечно много.
В этой гостинице бесконечно много номеров (комнат), но, как и положено, все комнаты пронумерованы, и для любого натурального числа n есть комната с этим номером.
Однажды в этой гостинице проходил съезд космозоологов, в котором участвовали представители всех галактик. Так как галактик тоже бесконечное множество, все места в гостинице оказались занятыми. Но в это время к директору гостиницы приехал его друг и попросил поселить его в эту гостиницу.
"После некоторых размышлений директор обратился к администратору и сказал:
- Поселите его в # 1.
- Куда же я дену жильца этого номера? - удивлённо спросил администратор.
- А его переселите в # 2. Жильца же из # 2 отправьте в # 3, из # 3 - в # 4 и т. д."
Вообще, пусть постоялец, живущий в номере k, переедет в номер k+1. Тогда у каждого снова будет свой номер, а # 1 освободится.
Таким образом, нового гостя удалось поселить - именно потому, что номеров в гостинице бесконечно много.
Первоначально участники съезда занимали все номера гостиницы, следовательно, между множеством космозоологов и множеством N было установлено взаимно однозначное соответствие: каждому космозоологу дали по номеру, на двери которого написано соответствующее ему натуральное число. Естественно считать, что делегатов было "столько же", сколько имеется натуральных чисел. Но приехал ещё один человек, его тоже поселили, и количество проживающих увеличилось на 1. Но их снова осталось "столько же", сколько и натуральных чисел: ведь все поместились в гостиницу!
Мы пришли к удивительному выводу: если к множеству, которое эквивалентно N, добавить ещё один элемент, получится множество, которое снова эквивалентно N. Но ведь совершенно ясно, что делегаты-космозоологи представляют собой часть того множества людей, которые разместились в гостинице после приезда нового гостя. Значит, в этом случае часть не "меньше" целого, а "равна" целому!
Итак, из определения эквивалентности (которое не приводит ни к каким "странностям" в случае конечных множеств) следует, что часть бесконечного множества может быть эквивалентна всему множеству.
Возможно, что известный математик Больцано, который пытался в своих рассуждениях применять принцип взаимно однозначного соответствия, испугался таких непривычных эффектов и поэтому не стал дальше развивать эту теорию. Она показалась ему совершенно абсурдной. Но Георг Кантор во второй половине XIX века вновь заинтересовался этим вопросом, стал исследовать его и создал теорию множеств, важный раздел оснований математики.
Продолжим наш рассказ про бесконечную гостиницу.
Новый постоялец "не удивился, когда на другое утро ему предложили переселиться в #1,000,000. Просто в гостиницу прибыли запоздавшие космозоологи из галактики ВСК-3472, и надо было разместить ещё 999,999 жильцов".
Но потом произошла какая-то накладка, и в эту же самую гостиницу приехали на съезд филателисты. Их тоже было бесконечное множество - по одному представителю от каждой галактики. Как же их всех разместить?
Эта задача оказалась весьма сложной. Но и в этом случае нашёлся выход.
"В первую очередь администратор приказал переселить жильца из # 1 в # 2.
- А жильца из # 2 переселите в # 4, из # 3 -в # 6, вообще, из номера n - в номер 2n.
Теперь стал ясен его план: таким путём он освободил бесконечное множество нечётных номеров и мог расселять в них филателистов. В результате чётные номера оказались занятыми космозоологами, а нечётные - филателистами... Филателист, стоявший в очереди n-м, занимал номер 2n-1". И снова всех удалось разместить в гостинице.
Источник
IBM создала искусственные нейроны с возможностью фазового перехода 
Что ищем
Гравитационные волны традиционно называют предсказанием общей теории относительности (ОТО), и это в самом деле так (хотя сейчас такие волны есть во всех моделях, альтернативных ОТО или же дополняющих ее). К появлению волн приводит конечность скорости распространения гравитационного взаимодействия (в ОТО эта скорость в точности равна скорости света). Такие волны — возмущения пространства-времени, распространяющиеся от источника. Для возникновения гравитационных волн необходимо, чтобы источник пульсировал или ускоренно двигался, но определенным образом. Скажем, движения с идеальной сферической или цилиндрической симметрией не подходят. Таких источников достаточно много, но часто у них маленькая масса, недостаточная для того, чтобы породить мощный сигнал. Ведь гравитация — самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий, поэтому зарегистрировать гравитационный сигнал очень трудно. Кроме того, для регистрации нужно, чтобы сигнал быстро менялся во времени, то есть имел достаточно высокую частоту. Иначе нам не удастся его зарегистрировать, так как изменения будут слишком медленными. Значит, объекты должны быть еще и компактными.
Чем ищем
Определившись с источниками, начнем проектировать детектор. Для этого надо понять, что же делает гравитационная волна. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что прохождение гравитационной волны вызывает приливную силу (обычные лунные или солнечные приливы — это отдельное явление, и гравитационные волны тут ни при чем). Так что можно взять, например, металлический цилиндр, снабдить датчиками и изучать его колебания. Это несложно, поэтому такие установки начали делать еще полвека назад (есть они и в России, сейчас в Баксанской подземной лаборатории монтируется усовершенствованный детектор, разработанный командой Валентина Руденко из ГАИШ МГУ). Проблема в том, что такой прибор будет видеть сигнал без всяких гравитационных волн. Есть масса шумов, с которыми трудно бороться. Можно (и это было сделано!) установить детектор под землей, попытаться изолировать его, охладить до низких температур, но все равно для того, чтобы превысить уровень шума, понадобится очень мощный гравитационно-волновой сигнал. А мощные сигналы приходят редко.
Лазерные исполины
В своем первоначальном виде детекторы LIGO были построены в 2002 году, а VIRGO — в 2003-м. По плану это был лишь первый этап. Все установки поработали по несколько лет, а в 2010–2011 годах были остановлены для доработки, чтобы затем выйти на плановую высокую чувствительность. Первыми заработали детекторы LIGO в сентябре 2015 года, VIRGO должна присоединиться во второй половине 2016-го, и, начиная с этого этапа, чувствительность позволяет надеяться на регистрацию как минимум нескольких событий в год.
Как устроен детектор LIGO
Прибор настроен таким образом, чтобы максимум волны из одного плеча точно совпадал с минимумом из другого и результатом интерференции на детекторе был ноль. А если длина плеч меняется, то на детекторе появляется ненулевой сигнал. Считывается ток с фотодетектора. Именно он содержит информацию о свойствах гравитационного сигнала. Таким образом можно очень точно измерить параметры волны, которая на протяжении десятков миллисекунд с высокой частотой сдвигает зеркала. Сдвиг был бы ничтожно маленьким, гораздо меньше размера протона. Но важно, что измеряется не прямо эта крошечная длина, а хорошо определяемые электрические параметры в силовой установке, возвращающей зеркало на место.
Эра новой астрономии
На данный момент самый важный результат работы LIGO — это подтверждение существования гравитационных волн. Кроме того, уже первый всплеск позволил улучшить ограничения на массу гравитона (в ОТО он имеет нулевую массу), а также сильнее ограничить отличие скорости распространения гравитации от скорости света. Но ученые надеются, что уже в 2016 году они смогут получать с помощью LIGO и VIRGO много новых астрофизических данных.
Во-первых, данные гравитационно-волновых обсерваторий — это новый канал изучения черных дыр. Если ранее можно было только наблюдать потоки вещества в окрестностях этих объектов, то теперь можно прямо «увидеть» процесс слияния и «успокоения» образующейся черной дыры, как колеблется ее горизонт, принимая свою окончательную форму (определяемую вращением). Наверное, вплоть до обнаружения хокинговского испарения черных дыр (пока что этот процесс остается гипотезой) изучение слияний будет давать лучшую непосредственную информацию о них.
Считается, что именно слияния нейтронных звезд ответственны за короткие космологические гамма-всплески. В редких случаях удастся одновременно наблюдать событие сразу и в гамма-диапазоне, и на гравитационно-волновых детекторах (редкость связана с тем, что, во-первых, гамма-сигнал сконцентрирован в очень узкий луч, и он не всегда направлен на нас, а во-вторых, от очень далеких событий мы не зарегистрируем гравитационных волн). Видимо, понадобится несколько лет наблюдений, чтобы удалось это увидеть (хотя, как обычно, может повезти, и это произойдет прямо сегодня). Тогда, кроме всего прочего, мы сможем очень точно сравнить скорость гравитации со скоростью света.
Компьютеры довольно давно уже сравнивают с искусственными «мозгами», однако компания IBM решила вывести это сравнение на новый уровень и создала рабочий искусственный физический нейрон. Исследовательский центр технологического гиганта в Цюрихе создал 500 искусственных нейронов для симуляции передачи сигналов тем же аналогичным образом, как это происходит внутри органического мозга.
Успешная демонстрация передачи сигнала доказала, что элементы подобных систем могут уменьшаться до микроскопических размеров и тем не менее по-прежнему оставаться работоспособными. Как указывает портал Ars Technica, заслуга IBM лежит в том, что их искусственные нейроны построены на базе хорошо известных материалов. При этом эти материалы можно уменьшать до нанометрового уровня, не теряя их свойств и функциональности.
Органические нейроны заключены в мембраны, которые действуют как сигнальные ворота, забирающие определенное количество энергии для работы. В версии IBM эта роль отводится германий-сульма-теллуровым ячейкам (GST), встречающимся обычно в оптических дисках. При достаточном нагреве у GST изменяется физическая фаза. Из аморфного изолятора она переходит в фазу кристаллического проводника. Другими словами, сигнал проходит через мембрану только тогда, когда на нее подается достаточно электричества для перехода GST в кристаллическую фазу, а затем возвращения в аморфную.
Однако для звания полноценного искусственного нейрона они должны обладать еще одной характеристикой, присущей органическому аналогу — стохастичностью, или случайностью поведения при подаче сигнала. IBM утверждает, что в своих нейронах они этого добились, так как GST-мембраны никогда не возвращаются в одну и ту же структурную конфигурацию. Эта особенность позволяет выполнять те задачи, выполнить которые не было бы возможным, если бы результаты были идеально предсказуемыми. Как предполагает портал Ars Technica, в будущем на основе подобных искусственных нейронов ученые смогут создавать компьютеры, эффективно имитирующие параллельную обработку информации (как это делает наш мозг), а также применять этот принцип для обработки сенсорной информации. Однако, как отмечается, создание таких машин будет куда более простой задачей, чем написание под них соответствующего софта.
Николай Хижняк
Эйнштейн был прав: гравитационно-волновая астрономия
Спустя сто лет после теоретического предсказания, которое в рамках общей теории относительности сделал Альберт Эйнштейн, ученым удалось подтвердить существование гравитационных волн. Начинается эра принципиально нового метода изучения далекого космоса — гравитационно-волновой астрономии.
Что ищем
Гравитационные волны традиционно называют предсказанием общей теории относительности (ОТО), и это в самом деле так (хотя сейчас такие волны есть во всех моделях, альтернативных ОТО или же дополняющих ее). К появлению волн приводит конечность скорости распространения гравитационного взаимодействия (в ОТО эта скорость в точности равна скорости света). Такие волны — возмущения пространства-времени, распространяющиеся от источника. Для возникновения гравитационных волн необходимо, чтобы источник пульсировал или ускоренно двигался, но определенным образом. Скажем, движения с идеальной сферической или цилиндрической симметрией не подходят. Таких источников достаточно много, но часто у них маленькая масса, недостаточная для того, чтобы породить мощный сигнал. Ведь гравитация — самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий, поэтому зарегистрировать гравитационный сигнал очень трудно. Кроме того, для регистрации нужно, чтобы сигнал быстро менялся во времени, то есть имел достаточно высокую частоту. Иначе нам не удастся его зарегистрировать, так как изменения будут слишком медленными. Значит, объекты должны быть еще и компактными.
Первоначально большой энтузиазм вызывали вспышки сверхновых, происходящие в галактиках вроде нашей раз в несколько десятков лет. Значит, если удастся достичь чувствительности, позволяющей видеть сигнал с расстояния в несколько миллионов световых лет, можно рассчитывать на несколько сигналов в год. Но позднее оказалось, что первоначальные оценки мощности выделения энергии в виде гравитационных волн во время взрыва сверхновой были слишком оптимистичными, и зарегистрировать подобный слабый сигнал можно было бы только в случае, если б сверхновая вспыхнула в нашей Галактике.
Еще один вариант массивных компактных объектов, совершающих быстрые движения, — нейтронные звезды или черные дыры. Мы можем увидеть или процесс их образования, или процесс взаимодействия друг с другом. Последние стадии коллапса звездных ядер, приводящие к образованию компактных объектов, а также последние стадии слияния нейтронных звезд и черных дыр имеют длительность порядка нескольких миллисекунд (что соответствует частоте в сотни герц) — как раз то, что надо. При этом выделяется много энергии, в том числе (а иногда и в основном) в виде гравитационных волн, так как массивные компактные тела совершают те или иные быстрые движения. Вот они — наши идеальные источники.
Еще один вариант массивных компактных объектов, совершающих быстрые движения, — нейтронные звезды или черные дыры. Мы можем увидеть или процесс их образования, или процесс взаимодействия друг с другом. Последние стадии коллапса звездных ядер, приводящие к образованию компактных объектов, а также последние стадии слияния нейтронных звезд и черных дыр имеют длительность порядка нескольких миллисекунд (что соответствует частоте в сотни герц) — как раз то, что надо. При этом выделяется много энергии, в том числе (а иногда и в основном) в виде гравитационных волн, так как массивные компактные тела совершают те или иные быстрые движения. Вот они — наши идеальные источники.
Правда, сверхновые вспыхивают в Галактике раз в несколько десятков лет, слияния нейтронных звезд происходят раз в пару десятков тысяч лет, а черные дыры сливаются друг с другом еще реже. Зато сигнал гораздо мощнее, и его характеристики можно достаточно точно рассчитать. Но теперь нам надо научиться видеть сигнал с расстояния в несколько сотен миллионов световых лет, чтобы охватить несколько десятков тысяч галактик и обнаружить несколько сигналов за год.
Чем ищем
Определившись с источниками, начнем проектировать детектор. Для этого надо понять, что же делает гравитационная волна. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что прохождение гравитационной волны вызывает приливную силу (обычные лунные или солнечные приливы — это отдельное явление, и гравитационные волны тут ни при чем). Так что можно взять, например, металлический цилиндр, снабдить датчиками и изучать его колебания. Это несложно, поэтому такие установки начали делать еще полвека назад (есть они и в России, сейчас в Баксанской подземной лаборатории монтируется усовершенствованный детектор, разработанный командой Валентина Руденко из ГАИШ МГУ). Проблема в том, что такой прибор будет видеть сигнал без всяких гравитационных волн. Есть масса шумов, с которыми трудно бороться. Можно (и это было сделано!) установить детектор под землей, попытаться изолировать его, охладить до низких температур, но все равно для того, чтобы превысить уровень шума, понадобится очень мощный гравитационно-волновой сигнал. А мощные сигналы приходят редко.
Поэтому был сделан выбор в пользу другой схемы, которую в 1962 году выдвинули Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн. В статье, опубликованной в ЖЭТФ (Журнал экспериментальной и теоретической физики), они предложили использовать для регистрации гравитационных волн интерферометр Майкельсона. Луч лазера бегает между зеркалами в двух плечах интерферометра, а затем лучи из разных плеч складываются. Анализируя результат интерференции лучей, можно измерить относительное изменение длин плеч. Это очень точные измерения, поэтому, если победить шумы, можно достичь фантастической чувствительности.
В начале 1990-х было принято решение о строительстве нескольких детекторов по такой схеме. Первыми в строй должны были войти относительно небольшие установки, GEO600 в Европе и TAMA300 в Японии (числа соответствуют длине плеч в метрах) для обкатки технологии. Но основными игроками должны были стать установки LIGO в США и VIRGO в Европе. Размер этих приборов измеряется уже километрами, а окончательная плановая чувствительность должна была бы позволить видеть десятки, если не сотни событий в год.
В начале 1990-х было принято решение о строительстве нескольких детекторов по такой схеме. Первыми в строй должны были войти относительно небольшие установки, GEO600 в Европе и TAMA300 в Японии (числа соответствуют длине плеч в метрах) для обкатки технологии. Но основными игроками должны были стать установки LIGO в США и VIRGO в Европе. Размер этих приборов измеряется уже километрами, а окончательная плановая чувствительность должна была бы позволить видеть десятки, если не сотни событий в год.
Лазерные исполины
В своем первоначальном виде детекторы LIGO были построены в 2002 году, а VIRGO — в 2003-м. По плану это был лишь первый этап. Все установки поработали по несколько лет, а в 2010–2011 годах были остановлены для доработки, чтобы затем выйти на плановую высокую чувствительность. Первыми заработали детекторы LIGO в сентябре 2015 года, VIRGO должна присоединиться во второй половине 2016-го, и, начиная с этого этапа, чувствительность позволяет надеяться на регистрацию как минимум нескольких событий в год.
Во время обкатки технологий на LIGO и VIRGO группа ученых работала над методами борьбы с шумами. Просчитывались и ожидаемое количество событий, и форма сигнала. Дело в том, что чем точнее мы знаем форму сигнала, тем проще распознать его среди шума. Это можно сравнить с распознаванием слов на малой громкости — когда говорят известные вам слова, проблем не возникает, а незнакомое слово вы не можете разобрать. Для проверки алгоритмов выявления полезного сигнала руководители проекта подбросили в поток анализируемых данных фальшивый всплеск, подтвердивший работоспособность схем. Представьте, каким стрессом для ученых было узнать, что обнаруженное событие — лишь тестовое испытание, а не настоящий результат!С помощью довольно простого анализа можно получить такие данные, как массы черных дыр, мощность сигнала и расстояние до источника. Масса и размер черных дыр связаны очень простым и хорошо известным образом, а по частоте сигнала сразу можно оценить размер области выделения энергии. В данном случае размер указывал на то, что из двух дыр массой 25–30 и 35–40 солнечных масс образовалась черная дыра с массой более 60 солнечных масс. Зная эти данные, можно получить и полную энергию всплеска. В гравитационное излучение (по формуле E = mc2) перешло почти три массы Солнца. Это соответствует светимости 1023 светимостей Солнца — примерно столько же, сколько за это время (сотые доли секунды) излучают все звезды в видимой части Вселенной. А из известной энергии и величины измеренного сигнала получается расстояние. Большая масса слившихся тел позволила зарегистрировать событие, произошедшее в далекой галактике: сигнал шел к нам примерно 1,3 млрд лет.
Как устроен детектор LIGO
Прибор настроен таким образом, чтобы максимум волны из одного плеча точно совпадал с минимумом из другого и результатом интерференции на детекторе был ноль. А если длина плеч меняется, то на детекторе появляется ненулевой сигнал. Считывается ток с фотодетектора. Именно он содержит информацию о свойствах гравитационного сигнала. Таким образом можно очень точно измерить параметры волны, которая на протяжении десятков миллисекунд с высокой частотой сдвигает зеркала. Сдвиг был бы ничтожно маленьким, гораздо меньше размера протона. Но важно, что измеряется не прямо эта крошечная длина, а хорошо определяемые электрические параметры в силовой установке, возвращающей зеркало на место.
Эра новой астрономии
На данный момент самый важный результат работы LIGO — это подтверждение существования гравитационных волн. Кроме того, уже первый всплеск позволил улучшить ограничения на массу гравитона (в ОТО он имеет нулевую массу), а также сильнее ограничить отличие скорости распространения гравитации от скорости света. Но ученые надеются, что уже в 2016 году они смогут получать с помощью LIGO и VIRGO много новых астрофизических данных.
Во-первых, данные гравитационно-волновых обсерваторий — это новый канал изучения черных дыр. Если ранее можно было только наблюдать потоки вещества в окрестностях этих объектов, то теперь можно прямо «увидеть» процесс слияния и «успокоения» образующейся черной дыры, как колеблется ее горизонт, принимая свою окончательную форму (определяемую вращением). Наверное, вплоть до обнаружения хокинговского испарения черных дыр (пока что этот процесс остается гипотезой) изучение слияний будет давать лучшую непосредственную информацию о них.
Во-вторых, наблюдения слияний нейтронных звезд дадут много новой, крайне нужной информации об этих объектах. Впервые мы сможем изучать нейтронные звезды так, как физики изучают частицы: наблюдать за их столкновениями, чтобы понять, как они устроены внутри. Загадка строения недр нейтронных звезд волнует и астрофизиков, и физиков. Наше понимание ядерной физики и поведения вещества при сверхвысокой плотности неполно без разрешения этого вопроса. Вполне вероятно, что именно гравитационно-волновые наблюдения сыграют здесь ключевую роль.
Считается, что именно слияния нейтронных звезд ответственны за короткие космологические гамма-всплески. В редких случаях удастся одновременно наблюдать событие сразу и в гамма-диапазоне, и на гравитационно-волновых детекторах (редкость связана с тем, что, во-первых, гамма-сигнал сконцентрирован в очень узкий луч, и он не всегда направлен на нас, а во-вторых, от очень далеких событий мы не зарегистрируем гравитационных волн). Видимо, понадобится несколько лет наблюдений, чтобы удалось это увидеть (хотя, как обычно, может повезти, и это произойдет прямо сегодня). Тогда, кроме всего прочего, мы сможем очень точно сравнить скорость гравитации со скоростью света.
Таким образом, лазерные интерферометры вместе будут работать как единый гравитационно-волновой телескоп, приносящий новые знания и астрофизикам, и физикам. Ну а за открытие первых всплесков и их анализ рано или поздно будет вручена заслуженная Нобелевская премия.
Сергей Попов
Автор — ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга (ГАИШ) МГУ, автор книги «Суперобъекты. Звезды размером с город».
Источник: «Популярная механика» №5, 2016
Источник: «Популярная механика» №5, 2016
Свежие комментарии