[Перевод] Спросите Итана: с какой скоростью перемещаются гравитационные волны?
Одно из самых неожиданных предсказаний Общей теории относительности Эйнштейна — существование не только материи, излучения и других форм энергии, основанных на частицах, но также существование и самого по себе гравитационного излучения, фундаментальной «ряби» на ткани пространства-времени. Это одна из самых сложных для понимания концепций, и наш читатель хочет узнать больше на эту тему:
Гравитационные волны — это возмущения пространства-времени, путешествующие со скоростью с. Однако пространство-время может расширяться и сокращаться быстрее с. Но расширение, за которым следует сокращение, это, по сути, и есть определение компрессионной волны. Получается вроде бы парадокс: гравитационные волны перемещаются со скоростью с, но для них вроде бы существует возможность сверхсветового перемещения. Как его разрешить?
Для начала начнём с концепции этого излучения, и как оно появляется.
В электромагнетизме, даже в классическом, есть только две вещи, необходимые для появления электромагнитного излучения: заряд и поле, через которое он двигается. Электрический заряд может быть положительным (как у протона) и отрицательным (как у электрона), и если он передвигается в магнитном поле, оно будет ускорять его, и закручивать, отправляя на циклическую или спиральную траекторию.
Чем сильнее поле, тем выше скорость, а чем больше отношение заряда к массе, тем больше и ускорение (или изменение движения).
Но в таких взаимодействиях должна сохраняться энергия и импульс, поэтому в электромагнетизме каждый раз, когда заряд ускоряется под действием внешнего поля, ему приходится испускать излучение. Оно проявляется в виде фотонов, и называется, в зависимости от способа возникновения, тормозным (нем. Bremsstrahlung), циклотронным или синхротронным излучением.
В ньютоновской физике никакого гравитационного излучения не было бы, но эйнштейновская ОТО всё меняет. У массивных источников — таких, как частицы — есть аналог гравитационного заряда, а искривлённое пространство — это аналог гравитационного поля. Каждый раз, когда массивная частица двигается в искривлённом пространстве, а оно может быть сильно искривлено рядом со звездой, белым карликом, нейтронной звездой или чёрной дырой, она будет испускать аналог электромагнитного излучения: гравитационное излучение.
Эта новая форма излучения будет не фотоном или каким-то другим видом излучения, а гравитационной волной, распространяющейся в самой ткани пространства. Для массы порядка земной, вращающейся вокруг Солнца, гравитационное излучение оказывается так мало, что на заметное изменение орбиты должно уйти порядка 10140 возрастов Вселенной. Мы этого никогда не заметим. Но для систем с более крупными массами, меньшими расстояниями и более сильными полями последствия оказываются более серьёзными: для двойных пульсаров, движения по орбите вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики или сливающихся чёрных дыр. В таких случаях можно наблюдать уменьшение орбиты, и из-за необходимости сохранения энергии мы знаем, что что-то её уносит.
Это и должно быть гравитационное излучение (оно же — гравитационные волны), и благодаря наблюдению за двойными пульсарами мы знаем, что скорость этого излучения должна равняться скорости света с точностью в 0,2%! Иначе говоря, волны двигаются сквозь пространство с той же скоростью, что и фотоны. Главное отличие в том, что в случае гравитационного излучения эти волны являются неотъемлемой частью самой ткани пространства.
Так что же происходит, если эти волны, как описано в вопросе читателя, создаются не в статичном пространстве, а в расширяющейся Вселенной? Они растягиваются и подвергаются расширению точно так же, как фотоны.
Длина волны фотона, путешествующего в расширяющейся Вселенной, растягивается вместе с расширением пространства. Концентрация и энергия этих частиц уменьшаются, и хотя они всегда распространяются со скоростью света, расстояния между источником и наблюдателем увеличиваются. К примеру, в самом начале горячего Большого взрыва, 13,8 млрд лет назад, спустя всего 10–33 секунд после инфляции:
• Фотон, достигший нас сегодня, был бы всего в 100 метрах от нас 13,8 млрд лет назад.
• Он путешествовал бы 13,8 млрд лет, и прошёл бы 13,8 млрд световых лет по расширяющейся Вселенной, и его длина волны увеличилась бы на 28 порядков.
• Источник достигнувшего нас сегодня фотона находился бы на расстоянии в 46,1 млрд световых лет от нас.
Звучит безумно? Вот это же безумие происходит и с гравитационными волнами! Гравитационная рябь тоже должна распространяться по расширяющейся Вселенной, тоже перемещается в пространстве со скоростью света (расширяется оно или нет), и его длина волны растягивается так же, как у фотонов. Гравитационные волны «едут верхом» на ткани пространства так же, как водяные «едут верхом» по поверхности воды. Если вы уроните камень в реку, то рябь не просто будет распространяться наружу по радиусу. Она будет распространяться наружу, и одновременно её будет уносить течение реки.
Примерно так же ведёт себя и гравитационная рябь на ткани пространства: волны перемещаются с такой скоростью, с какой они всегда перемещаются в среде — со скоростью света с –, но иногда движется и среда. Это не значит, что они превышают скорость света, так же, как фотоны не превышают её, когда оказываются в 46 млрд световых лет от источника, от которого они начали свой путь 13,8 млрд лет назад. Гравитационные волны ведут себя так, как должны. Аналог со сжатием и расширением действительно очень хороший. Проходящая волна искажает ткань пространства, и все вещи и частицы в ней, растягивая и сжимая их определённым образом.
Но распространяется она по Вселенной со скоростью света и с учётом того, как ведёт себя сама ткань пространства: расширяется, сжимается, или остаётся статичной. В этом и разрешение парадокса: волны путешествуют со скоростью с, вне зависимости от того, что происходит со средой, через которую они проходят!
