Каким может стать вселенский интернет?

Физики предлагают невероятный способ передачи информации через гравитационные волны.

Группа физиков доказала, что гравитационные волны могут быть средством передачи данных фактически на любое расстояние во Вселенной.

Гравитационные волны, давно предсказанные Альбертом Эйнштейном, были впервые зафиксированы в сентябре 2015 года в лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO в США.

Об открытии было официально заявлено в феврале 2016 года. И оно не только подтвердило правоту Эйнштейна относительно устройства Вселенной, но и обозначило новое поле для исследований.

А также очертило новые горизонты для любителей смелых научных гипотез.

Например, гипотезы о том, что гравитационные волны могут быть средством трансляции информации.

Подобно тому, как мы сегодня используем для коммуникаций электромагнитные волны, которые передаются через антенны и спутник, в будущем связь может быть основана на гравитационных волнах.

Гравитационные волны

Первое предположение о том, что гравитация может распространяться с помощью волн и со скоростью, не большей чем скорость света, сделал в 1900 году голландский физик Хендрик Антон Лоренц (тот самый лауреат Нобелевской премии по физике 1902 года, именем которого названа сила, действующая на движущийся заряд со стороны электромагнитного поля).

В 1905 году французский математик Жюль Анри Пуанкаре ввел термин «гравитационная волна». И наконец в 1916 году Альберт Эйнштейн в рамках Общей теории относительности описал, как механическая система может передать энергию гравитационным волнам.

Детекторы лаборатории LIGO, расположенные в Хэнфорде ( штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана) зафиксировали сигнал слияния черных дыр с интервалом 7 миллисекунд 14 сентября 2015 года.

Форма сигнала совпадала с предсказанной общей теорией относительности. Были проведены расчеты на отклонение гравитационных волн от скорости света, оказалось, что оно лежит в пределах погрешности и фактически может считаться равным нулю. За это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике за 2017 год — ее получили американские физики Рейнер Вайс, Барри Бэриш и Кип Торн.

Считается, что гравитационные волны являются «рябью» пространства-времени и представляют собой изменения гравитационного поля, которые распространяются подобно волнам на поверхности воды. Волны излучаются движущимися массами и крупными астрономическими событиями (например, слиянием черных дыр), но впоследствии существуют независимо от них. Эйнштейн предполагал (и это до сих пор не опровергнуто), что гравитационные волны распространяются в пространстве со скоростью света.

Гравитационно-волновая связь

О том, что гравитационные волны могут быть использованы для дальней беспроводной связи, впервые заговорили в 1970-х с подачи советского физика Виктора Бунина.

В 1972 году он даже зарегистрировал Авторское свидетельство на изобретение СССР (аналог американского патента). Само изобретение называлось «система передачи и приема сигналов с помощью гравитационных волн».

По мнению Бунина, гравиосвязь (такой термин использовался в 1970-х) имеет неоспоримое преимущество по сравнению с радиосвязью. В отличие от электромагнитных волн, которые ослабевают, проходя через электропроводящие среды (например, землю и воду), гравитационные волны с легкостью проходят через любые вещества.

Поскольку сами гравитационные волны на тот момент еще не были зафиксированы и оставались теорией, изобретение советского физика не получило пристального внимания со стороны общественности.

А зря, ведь в своих работах он довольно детально описывает гипотетическое устройство, которое позволяло бы передавать информацию с помощью гравитации.

И вот спустя всего два года после того, как гравитационные волны были в действительности зафиксированы, группа российских физиков опубликовала в авторитетном американском журнале Classical and Quantum Gravity работу на ту же тему.

Исследователи из нескольких российских университетов во главе с профессором Ольгой Бабуровой провели исследование с целью выяснить, можно ли закодировать информацию в гравитационных волнах.

Исследование состояло из трех этапов.

На первом ученые проанализировали свойства гравитационных волн с помощью трехмерной алгебраической модели. Была использована математическая абстракция — векторное пространство без источника координат. Это позволило соотнести гравитационные волны с реальным пространством. И установить, что при таком математическом представлении гравитационных волн существуют функции, которые остаются неизменными при распространении волн.

На второй стадии исследователи постарались выяснить, могут ли функции времени изменить процесс распространения гравитационных волн. И пришли к выводу, что источник гравитационной волны определяет ее характеристики, которые затем можно определить в иной точке пространства, которую достигает эта волна. Это означает, что если задать волне некие параметры (например, зашифровав некий сигнал с помощью математической функции), то эти параметры останутся неизменными, а следовательно сигнал может быть получен в другой точке пространства в неизменном виде.

На третьей стадии исследования ученые попытались создать теоретический способ кодирования информационного сигнала с учетом плоской неметричности гравитационной волны.

Исследователи пришли к выводу, что из четырех измерений, в которых существует волна (три пространственных и одно временное), три могут быть использованы для кодирования сигнала с помощью одной функции, а в четвертом измерении — с помощью двух функций.

По словам Нины Марковой, кандидата математических наук Математического института им. Никольского в Москве, принимавшей участие в исследовании, это доказывает, что гравитационные волны способны передавать данные, «так как их описание содержит произвольные функции отложенного времени, которое можно зашифровать в источник таких волн».

Что это означает?

Фактически, ученые доказали, что гравитационные волны остаются неизменными по мере своего распространения и есть гипотетическая возможность зашифровать в них некую информацию, подобно тому, как мы уже более ста лет используем электромагнитные сигналы, считает Мэтт Уильямс, обозреватель портала Universe Today.

Безусловно, пока не ясно, каким образом можно сделать это на практике. Каким должно быть устройство, способное взаимодействовать с гравитационной волной на этапе ее формирования. Или тем более устройство, способное сформировать гравитационную волну.

Однако, в отдаленной перспективе, гравитационно-волновая связь может оказаться важнейшим элементом в освоении далекого космоса.

Алексей Бондарев, «Новое время»