3 октября объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по физике за 2017 год. Ими стали физики из США Райнер Вайсс (Rainer Weiss), Бэрри Бэриш (Barry Barish) и Кип Торн (Kip Thorne). Согласно официальной формулировке, премия присуждена им "за решающий вклад в открытие гравитационных волн, совершённое коллаборацией LIGO".
Расскажем немного о том, как началась история изучения гравитационных волн. Что общего между снежинкой, компьютером, протоном и муравьём? Как минимум, все они обладают массой – и, значит, притягиваются друг к другу. Правда, для небольших тел притяжение это очень слабое. Но Земля уже достаточно велика, чтобы мы могли убедиться, что силы тяготения – "объективная реальность, данная нам в ощущениях". И ещё как данная, особенно если споткнуться. "Если бы не гравитация, я был здесь сейчас не стоял", – такую фразу каждый из нас может произнести с полным правом.
Именно всемирное тяготение управляет сложным танцем звёзд, планет и гигантских скоплений галактик на необозримых просторах космоса. Все остальные силы или короткодействующие (работают только на расстояниях вроде размера атомного ядра), или компенсируют сами себя, уравновешивая притяжение отталкиванием (таковы электромагнитные силы, поскольку положительных зарядов в веществе столько же, сколько отрицательных). А гравитация – это всегда притяжение. Очень слабое для отдельных крупиц вещества, оно суммируется, когда они собираются в большие скопления, и в буквальном смысле управляет Вселенной. Девиз гравитирующих частиц: "Вместе мы сила!".
Альберт Эйнштейн построил свою теорию тяготения ещё в начале XX века, но она согласуется со всеми экспериментами, проведёнными и на сегодняшний день.
У великого физика были причины этим заняться: как минимум та, что Меркурий обращается вокруг Солнца не совсем так, как ему предписывает великое открытие Ньютона. Эту разницу нельзя игнорировать в такой точной науке, как небесная механика.
Теория Эйнштейна, которую он назвал Общей теорией относительности (ОТО), до сих пор поражает воображение. Мы видим, что планета движется по эллипсу, а брошенный под углом камень – по параболе. ОТО говорит, что на самом деле они движутся "по прямой" (по кратчайшему пути) в пространстве-времени, искривлённом присутствием массивного тела. Вот это искривление мы и называем тяготением.
Физики не принимают теорий на веру, и работа Эйнштейна не была исключением. Впервые она была экспериментально проверена вскоре после публикации, во время солнечного затмения 1919 года. Лучи света искривлялись в точности так, как предсказывала теория.
Перечислить все наблюдаемые следствия ОТО довольно сложно. Это и существование чёрных дыр, о которых мы так много писали и которые, кстати, недавно научились "взвешивать" новым способом учёные из МГУ. Это и гравитационные линзы, эффект от которых астрономы наблюдают воочию. Это и замедление времени, которое не просто обнаружено – его приходится учитывать в работе часов на спутниках GPS и ГЛОНАСС, иначе навигационные системы будут работать неправильно.
Одно из замечательных предсказаний теории Эйнштейна – гравитационные волны. Их испускает любое тело, которое движется с переменным ускорением. А ускорение меняется как минимум в двух точках пути: когда тело приходит в движение и когда останавливается.
Получается, что источником гравитационных волн становится взлетающая муха, упавшая капля дождя, кружка, поставленная на стол. Пространство-время непрерывно содрогается от ряби.
Теоретически любое тело, попавшее в гравитационную волну, начинает колебаться с ней в такт. На практике эти колебания неощутимы, даже если источником волн является такой грандиозный процесс, как слияние чёрных дыр. Это и стало причиной, по которой явление, предсказанное столетие назад, было обнаружено только в 2015 году.
Детектор LIGO представляет собой две экспериментальные установки, разнесённые более чем на три тысячи километров. Одна из них расположена в штате Луизиана, другая – в штате Вашингтон. Так сделано для того, чтобы отличить гравитационные волны от той доли посторонних шумов, которую всё-таки не удалось исключить разработчикам. Шумы и помехи у каждого прибора свои, а полезный сигнал в обеих точках будет одинаковым. Кроме того, разница во времени между приходом волны в две эти точки, хоть она и составляет миллисекунды, позволяет хотя бы приблизительно очертить область неба, из которой пришли волны тяготения. Между прочим, гравитационные волны были недавно обнаружены и на европейском детекторе VIRGO. Вместе эти три установки смогли определить направление на источник в 10 раз точнее, чем дуэт LIGO, хотя "подозреваемая" область неба по-прежнему велика (десятки квадратных градусов).
Принцип, который положен в основу детектора LIGO, давно известен – это интерференция. В глубоком вакууме между зеркалами путешествует лазерный луч. Когда приходит гравитационная волна, расстояние между зеркалами, в среднем равное 4 километрам, начинает периодически меняться. От этого световые волны теряют синхронность, и их суммарная интенсивность в точке приёма меняется. Использовать этот принцип для поиска гравитационных волн предложили ещё советские учёные Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт в 1960-х годах. Но велики ли эти колебания? Не слишком. Их амплитуда примерно в тысячу раз меньше радиуса протона.
Много десятилетий почти никто не верил, что когда-нибудь удастся соорудить инструмент, измеряющий такие величины. Но Кип Торн, Райнер Вайсс и Рональд Древер ещё в 1970-х годах верили, вели расчёты, строили прототипы, добивались финансирования. Древер в конце концов оказался в стороне от проекта LIGO, а Торн и Вайсс довели его до завершения.
Чтобы полезный сигнал не потонул в океане шумов, погрешностей и паразитных эффектов, требовалось не только изолировать детектор от любых посторонних вибраций, включая шаги проходящего мимо человека. Нужно было учесть многое другое, вплоть до теплового движения молекул в зеркалах. Решающий вклад в создание этих уникальных технологий принадлежит Вайссу.
Но и при таких невероятных характеристиках инструмента полезные данные трудно было выделить из шума. Для этого требовалась сложная математическая обработка, основанная на тонком знании свойств гравитационных волн. И в том, что такие алгоритмы были разработаны, заслуга Кипа Торна. Широкой публике он известен как научный консультант фильма "Интерстеллар" и автор книги "Интерстеллар: наука за кадром", но важнее всё-таки то, что он является выдающимся физиком-теоретиком.
Но, конечно, такие проекты не делаются силами двух человек.
В 1994 году, когда Бэриш стал руководителем проекта LIGO, он превратил небольшую исследовательскую группу, насчитывающую около 40 человек, в огромную международную коллаборацию с более чем тысячей участников. Он искал по всему миру исследователей, в которых нуждался проект, и привлекал их к работе. В том, что детектор наконец принёс открытия, есть заслуга каждого из них. Но Бэриш – тот, кто собрал их вместе и сделал эти открытия возможными.
Гравитационные волны интересны учёным не только как очередное подтверждение ОТО. Фактически открыто новое окно во Вселенную, новый информационный канал.
Основная трудность астрономии в том, что на другой край Галактики не нагрянешь со своими приборами. Сведения о том, как устроены звёзды, туманности и другие объекты, приходится получать из их излучения. Это заставляет учёных улавливать самые тонкие его детали и проявлять невероятную изобретательность – например, использовать нейтронные звёзды как своих "агентов" внутри шарового скопления.
Между тем гравитационные волны – это практически единственный способ наблюдать чёрные дыры звездной массы (в отличие от сверхмассивных чёрных дыр, которые выдают себя мощнейшим свечением, исходящим от поглощаемого ими вещества). Исследователи мечтают поймать гравитационные волны и от столкновения нейтронных звёзд. Не так давно появились сообщения, что это наконец удалось сделать, но они не были подтверждены официально.
Фундаментальная физика тоже может получить подарок от этого удивительного явления природы. Не исключено, что отклонения от ОТО всё-таки будут найдены, и это вызовет к жизни новую, ещё более глубокую теорию гравитации. А по мнению некоторых исследователей, эти волны помогут проверить даже теорию струн.
В общем, самое время поаплодировать нобелевским лауреатам, чьи знания, упорство и талант привели к такому замечательному открытию. Удары ладоней тоже будут вызывать гравитационные волны – правда, детектор LIGO их не зафиксирует.
