Российский физик об открытии волн пространства-времени: «Ай да сукин сын!»
Физики на обсерватории LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) впервые зарегистрировали гравитационные волны — возмущения пространства-времени, предсказанные сто лет назад создателем общей теории относительности Альбертом Эйнштейном. Об открытии в ходе прямой трансляции, организованной «Лентой.ру» и Московским государственным университетом (МГУ) имени М.В. Ломоносова, сообщили ученые физического факультета, участники международной коллаборации LIGO. «Лента.ру» побеседовала с одним из них, российским физиком Сергеем Вятчаниным.
Что такое гравитационные волны?
Сергей Вятчанин: По закону всемирного тяготения Ньютона два тела притягиваются друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Эта теория описывает, например, вращение Земли и Луны в плоском пространстве и универсальном времени. Эйнштейн, разработав специальную теорию относительности, понял, что время и пространство — это одна субстанция, и предложил общую теорию относительности — теорию гравитации, основанную на том, что тяготение проявляется как кривизна пространства-времени, которую создает материя.
Можно представить упругий круг. Если бросить в него легкий шарик, он покатится по прямой. Если же в центр круга положить тяжелое яблоко, то траектория искривится. Из уравнений общей теории относительности Эйнштейн сразу получил, что возможны гравитационные волны. Но в то время считали (в начале ХХ века) эффект чрезвычайно слабым. Можно сказать, что гравитационные волны — это рябь пространства-времени. Плохо то, что это чрезвычайно слабое взаимодействие.
Если брать аналогичные (электромагнитные) волны, то там был опыт Герца, разместившего излучатель в одном углу комнаты, а приемник в другом. С гравитационными волнами так не получается. Слишком слабое взаимодействие. Остается полагаться только на астрофизические катастрофы.
Как работает гравитационная антенна?
Есть интерферометр Фабри-Перо, две массы, разнесенные на четыре километра. Расстояние между массами контролируется. Если волна падает сверху, то расстояние немного изменяется.
Гравитационное возмущение — это, по сути, искажение метрики?
Можно и так сказать. Математика это описывает как небольшое искривление пространства. Использовать лазер для обнаружения гравитационных волн в 1962 году предложили Герценштейн и Пустовойт. Это была такая советская статья, фантазия... Здорово, но все же полет фантазии. Американцы подумали и решили в 1990-х годах (Кип Торн, Роналд Древер и Рэйнер Вайс) сделать лазерную гравитационную антенну. Причем требуются две антенны, поскольку, если будут события, необходимо использовать схему совпадений. И тогда все началось. Это долгая история. Мы сотрудничаем с Калтехом с 1992 года, а на официальную договорную основу перешли в 1998 году.
Не кажется ли вам, что реальность гравитационных волн не вызывала сомнений?
В общем-то, научное сообщество было уверено в том, что они существуют, и обнаружить их — дело времени. Халсу и Тейлору присудили Нобелевскую премию за фактическое открытие гравитационных волн. Что они сделали? Есть двойные звезды — пульсары. Раз они крутятся, то излучают гравитационные волны. Наблюдать мы их не можем. Но если они излучают гравитационные волны, то отдают энергию. Значит, их вращение замедляется, как будто от трения. Звезды приближаются друг к другу, и можно увидеть изменение частоты. Они посмотрели — и увидели (в 1974 году — прим. «Ленты.ру»). Это косвенное свидетельство существования гравитационных волн.
Сейчас — прямое?
Сейчас — прямое. Пришел сигнал, который зарегистрировали на двух детекторах.
Достоверность высокая?
Ее достаточно для открытия.
Каков вклад российских ученых в этот эксперимент?
Ключевой. В initial LIGO (раннем варианте антенны — прим. «Ленты.ру») использовались десятикилограммовые массы, и висели они на стальных нитях. Наш ученый Брагинский уже тогда высказал идею применения кварцевых нитей. Вышла работа, доказывавшая, что кварцевые нити «шумят» значительно меньше. И вот сейчас массы (в advanced LIGO, современной установке — прим. «Ленты.ру») висят на кварцевых нитях.
Второй вклад — экспериментальный и связан с зарядами. Массы, разнесенные на четыре километра, нужно как-то юстировать при помощи электростатических активаторов. Эта система лучше магнитной, которая использовалась ранее, но она чувствует заряд. В частности, каждую секунду через ладонь человека проходит огромное количество частиц — мюонов, которые могут оставить заряд. Сейчас с этой проблемой борются. Наша группа (Валерий Митрофанов и Леонид Прохоров) в этом экспериментально участвует и значительно поднаторела.
В начале 2000-х годов была идея использовать на advanced LIGO сапфировые нити, так как формально у сапфира добротность выше. Почему она важна? Чем выше добротность, тем меньше шум. Это общее правило. Наша группа посчитала так называемые термоупругие шумы и показала, что все же лучше использовать кварц, а не сапфир.
И еще. Чувствительность гравитационной антенны близка к квантовому пределу. Есть так называемый стандартный квантовый предел: если вы измеряете координату, то по принципу неопределенности Гейзенберга вы тут же ее и возмущаете. Если вы непрерывно измеряете координату, то вы все время ее возмущаете. Очень точно измерять координату нехорошо: будет большое обратное флуктуационное влияние. Это показал в 1968 году Брагинский. Подсчитали для LIGO. Оказалось, что для initial LIGO чувствительность выше стандартного квантового предела примерно в десять раз.
Сейчас есть надежда на то, что advanced LIGO дойдет до стандартного квантового предела. Может быть, опустится. Это вообще мечта. Можете себе это представить? У вас будет квантовый макроскопический прибор: две тяжелые массы на расстоянии четырех километров.
Такое на первый взгляд не очень совместимо.
Вот это и парадоксально. То есть получается фантастика. Вроде бы отдает шарлатанством, а на самом деле — нет, все честно. Но пока это мечты. Стандартный квантовый предел не достигнут. Там еще нужно работать и работать. Но уже видно, что это близко.
Есть надежда, что это случится?
Да. Нужно преодолевать стандартный квантовый предел, и наша группа участвовала в разработке методов того, как это сделать. Это так называемые квантовые невозмущающие измерения, какая конкретно схема измерений нужна — такая или иная... Ведь когда вы теоретически исследуете, расчеты ничего не стоят, а эксперимент — дорог. В LIGO достигнута точность десять в минус 19 степени метров.
Вспомним детский пример. Если мы уменьшим Землю до размеров апельсина, а затем его уменьшим во столько же раз, то получим размер атома. Так вот, если мы атом уменьшим во столько же раз, то мы получим десять в минус 19 степени метров. Это сумасшедшая вещь. Это достижение цивилизации.
Это очень важно, да. Так что означает для науки открытие гравитационных волн? Есть мнение, что это может изменить наблюдательные методы астрономии.
Что у нас есть? Астрономия в обычном диапазоне. Радиотелескопы, инфракрасные телескопы, рентгеновские обсерватории.
Все в электромагнитных диапазонах?
Да. Кроме того, есть нейтринные обсерватории. Есть регистрация космических частиц. Это еще один канал информации. Если гравитационная антенна будет выдавать астрофизическую информацию, то исследователи получат в свое распоряжение сразу несколько каналов наблюдения, по которым можно проверять теорию. Предложено множество космологических теорий, конкурирующих между собой. Можно будет что-то отсеять. Например, когда на Большом адронном коллайдере открыли бозон Хиггса, сразу отпало несколько теорий.
То есть это будет способствовать отбору работающих космологических моделей. Еще вопрос. Можно ли использовать гравитационную антенну для прецизионного измерения ускоренного расширения Вселенной?
Пока чувствительность очень мала.
А в перспективе?
В перспективе можно использовать и для измерения реликтового гравитационного фона. Но любой экспериментатор вам скажет: «Ай-я-яй!» То есть пока до этого далеко. Дай бог, чтобы мы зарегистрировали астрофизическую катастрофу.
Столкновение черных дыр...
Да. Ведь это же катастрофа. Не дай бог рядом там оказаться. Нас бы не было. А здесь — фончик такой... Пока... «надежды юношей питают, отраду старцам подают».
Может ли служить открытие гравитационных волн еще одним подтверждением существования черных дыр? Ведь встречаются еще те, кто не верит, что они есть.
Да. Как работают в LIGO? Идет запись сигнала, для объяснения которого ученые разрабатывают шаблоны и сравнивают их с данными наблюдений. Столкновение нейтронных звезд, нейтронная звезда падает на черную дыру, взрыв сверхновой, черная дыра сливается с черной дырой... Будем менять параметры, например соотношение масс, начальный момент... Что мы должны увидеть? Идет запись, и в момент сигнала оценивается работоспособность шаблонов. Если шаблон, разработанный для столкновения двух черных дыр, подошел к сигналу, то это — доказательство. Но не абсолютное.
Лучшего объяснения нет? Открытие гравитационных волн проще всего объясняется столкновением черных дыр?
На данный момент — да. Сейчас научное сообщество считает, что это было слияние черных дыр. Но коллективное сообщество — это мнение многих, консенсус. Конечно, если возникнут какие-то новые факторы, от него можно отказаться.
Когда удастся зарегистрировать гравитационные волны не от столь массивных объектов? Не означает ли это, что нужно строить новые и более чувствительные обсерватории?
Есть программа следующего поколения LIGO. Это — второе. Будет третье. Там очень много вариантов. Можно увеличивать расстояние, увеличивать мощность, подвес. Сейчас все это обсуждается. На уровне мозгового штурма. Если будет подтверждаться наблюдение гравитационного сигнала, то будет легче получить деньги на усовершенствование обсерватории.
Ожидается бум строительства гравитационных обсерваторий?
Не знаю. Это дорогое удовольствие (LIGO обошлось примерно в 370 миллионов долларов — прим. «Ленты.ру»). Ведь американцы предложили Австралии построить в Южном полушарии антенну и согласились для этого предоставить все оборудование. Австралия отказалась. Слишком дорогая игрушка. Содержание обсерватории заняло бы весь научный бюджет страны.
Россия принимает финансовое участие в LIGO?
Мы сотрудничаем с американцами. Что дальше будет — непонятно. Пока у нас отношения с учеными хорошие, но политики же всем правят... Поэтому нужно смотреть. Они нас ценят. Мы выдаем результаты действительно на уровне. Но не они же решают, дружить с Россией или нет.
К сожалению, да.
Это жизнь, подождем.
В России не планируется строительство гравитационной обсерватории?
Пока не планируется. В 1980-х годах в Государственном астрономическом институте имени Штернберга МГУ хотели построить в Баксанском ущелье такую же гравитационную антенну, только в меньшем масштабе. Но пришла перестройка, и все надолго накрылось медным тазом. Сейчас ГАИШ МГУ пытается что-то сделать, но пока антенна не заработала...
Что еще можно попробовать проверить при помощи гравитационной антенны?
Справедливость теории гравитации. Ведь большинство существующих теорий основаны на теории Эйнштейна.
Ее никто до сих пор не может опровергнуть.
Она занимает лидирующее положение. Альтернативные теории устроены так, что в основном приводят к тем же экспериментальным следствиям, что и она. И это естественно. Поэтому нужны новые факты, которые бы отметали неверные теории.
Кратко как бы вы сформулировали значение открытия?
Фактически началась гравитационная астрономия. И впервые волны кривизны пространства попались на крючок. Не косвенно, а прямо. Человек восторгается собой: ай да я, ай да сукин сын!
Беседовал Андрей Борисов
*** *** ***
Гравитационные волны зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 05:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, расположенных в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон) в США. Детекторы LIGO обнаружили относительные колебания величиною в десять в минус 19 степени метров (это примерно равно отношению диаметра атома к диаметру яблока) пар разнесенных на четыре километра пробных масс. Возмущения порождены парой черных дыр (в 29 и 36 раз тяжелее Солнца) в последние доли секунды перед их слиянием в более массивный вращающийся гравитационный объект (в 62 раза тяжелее Солнца). За доли секунды три солнечных массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Слияние черных дыр произошло 1,3 миллиарда лет назад (столько времени гравитационное возмущение распространялось до Земли). Анализируя моменты прихода сигналов (детектор в Ливингстоне записал событие на семь миллисекунд раньше детектора в Хэнфорде), ученые предположили, что источник сигнала расположен в южном полушарии. Результаты ученые направили для публикации в журнал Physical Review Letters.
Что такое гравитационные волны?
Сергей Вятчанин: По закону всемирного тяготения Ньютона два тела притягиваются друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Эта теория описывает, например, вращение Земли и Луны в плоском пространстве и универсальном времени. Эйнштейн, разработав специальную теорию относительности, понял, что время и пространство — это одна субстанция, и предложил общую теорию относительности — теорию гравитации, основанную на том, что тяготение проявляется как кривизна пространства-времени, которую создает материя.
Можно представить упругий круг. Если бросить в него легкий шарик, он покатится по прямой. Если же в центр круга положить тяжелое яблоко, то траектория искривится. Из уравнений общей теории относительности Эйнштейн сразу получил, что возможны гравитационные волны. Но в то время считали (в начале ХХ века) эффект чрезвычайно слабым. Можно сказать, что гравитационные волны — это рябь пространства-времени. Плохо то, что это чрезвычайно слабое взаимодействие.
Если брать аналогичные (электромагнитные) волны, то там был опыт Герца, разместившего излучатель в одном углу комнаты, а приемник в другом. С гравитационными волнами так не получается. Слишком слабое взаимодействие. Остается полагаться только на астрофизические катастрофы.
Как работает гравитационная антенна?
Есть интерферометр Фабри-Перо, две массы, разнесенные на четыре километра. Расстояние между массами контролируется. Если волна падает сверху, то расстояние немного изменяется.
Гравитационное возмущение — это, по сути, искажение метрики?
Можно и так сказать. Математика это описывает как небольшое искривление пространства. Использовать лазер для обнаружения гравитационных волн в 1962 году предложили Герценштейн и Пустовойт. Это была такая советская статья, фантазия... Здорово, но все же полет фантазии. Американцы подумали и решили в 1990-х годах (Кип Торн, Роналд Древер и Рэйнер Вайс) сделать лазерную гравитационную антенну. Причем требуются две антенны, поскольку, если будут события, необходимо использовать схему совпадений. И тогда все началось. Это долгая история. Мы сотрудничаем с Калтехом с 1992 года, а на официальную договорную основу перешли в 1998 году.
Не кажется ли вам, что реальность гравитационных волн не вызывала сомнений?
В общем-то, научное сообщество было уверено в том, что они существуют, и обнаружить их — дело времени. Халсу и Тейлору присудили Нобелевскую премию за фактическое открытие гравитационных волн. Что они сделали? Есть двойные звезды — пульсары. Раз они крутятся, то излучают гравитационные волны. Наблюдать мы их не можем. Но если они излучают гравитационные волны, то отдают энергию. Значит, их вращение замедляется, как будто от трения. Звезды приближаются друг к другу, и можно увидеть изменение частоты. Они посмотрели — и увидели (в 1974 году — прим. «Ленты.ру»). Это косвенное свидетельство существования гравитационных волн.
Сейчас — прямое?
Сейчас — прямое. Пришел сигнал, который зарегистрировали на двух детекторах.
Достоверность высокая?
Ее достаточно для открытия.
Каков вклад российских ученых в этот эксперимент?
Ключевой. В initial LIGO (раннем варианте антенны — прим. «Ленты.ру») использовались десятикилограммовые массы, и висели они на стальных нитях. Наш ученый Брагинский уже тогда высказал идею применения кварцевых нитей. Вышла работа, доказывавшая, что кварцевые нити «шумят» значительно меньше. И вот сейчас массы (в advanced LIGO, современной установке — прим. «Ленты.ру») висят на кварцевых нитях.
Второй вклад — экспериментальный и связан с зарядами. Массы, разнесенные на четыре километра, нужно как-то юстировать при помощи электростатических активаторов. Эта система лучше магнитной, которая использовалась ранее, но она чувствует заряд. В частности, каждую секунду через ладонь человека проходит огромное количество частиц — мюонов, которые могут оставить заряд. Сейчас с этой проблемой борются. Наша группа (Валерий Митрофанов и Леонид Прохоров) в этом экспериментально участвует и значительно поднаторела.
В начале 2000-х годов была идея использовать на advanced LIGO сапфировые нити, так как формально у сапфира добротность выше. Почему она важна? Чем выше добротность, тем меньше шум. Это общее правило. Наша группа посчитала так называемые термоупругие шумы и показала, что все же лучше использовать кварц, а не сапфир.
И еще. Чувствительность гравитационной антенны близка к квантовому пределу. Есть так называемый стандартный квантовый предел: если вы измеряете координату, то по принципу неопределенности Гейзенберга вы тут же ее и возмущаете. Если вы непрерывно измеряете координату, то вы все время ее возмущаете. Очень точно измерять координату нехорошо: будет большое обратное флуктуационное влияние. Это показал в 1968 году Брагинский. Подсчитали для LIGO. Оказалось, что для initial LIGO чувствительность выше стандартного квантового предела примерно в десять раз.
Сейчас есть надежда на то, что advanced LIGO дойдет до стандартного квантового предела. Может быть, опустится. Это вообще мечта. Можете себе это представить? У вас будет квантовый макроскопический прибор: две тяжелые массы на расстоянии четырех километров.
Такое на первый взгляд не очень совместимо.
Вот это и парадоксально. То есть получается фантастика. Вроде бы отдает шарлатанством, а на самом деле — нет, все честно. Но пока это мечты. Стандартный квантовый предел не достигнут. Там еще нужно работать и работать. Но уже видно, что это близко.
Есть надежда, что это случится?
Да. Нужно преодолевать стандартный квантовый предел, и наша группа участвовала в разработке методов того, как это сделать. Это так называемые квантовые невозмущающие измерения, какая конкретно схема измерений нужна — такая или иная... Ведь когда вы теоретически исследуете, расчеты ничего не стоят, а эксперимент — дорог. В LIGO достигнута точность десять в минус 19 степени метров.
Вспомним детский пример. Если мы уменьшим Землю до размеров апельсина, а затем его уменьшим во столько же раз, то получим размер атома. Так вот, если мы атом уменьшим во столько же раз, то мы получим десять в минус 19 степени метров. Это сумасшедшая вещь. Это достижение цивилизации.
Это очень важно, да. Так что означает для науки открытие гравитационных волн? Есть мнение, что это может изменить наблюдательные методы астрономии.
Что у нас есть? Астрономия в обычном диапазоне. Радиотелескопы, инфракрасные телескопы, рентгеновские обсерватории.
Все в электромагнитных диапазонах?
Да. Кроме того, есть нейтринные обсерватории. Есть регистрация космических частиц. Это еще один канал информации. Если гравитационная антенна будет выдавать астрофизическую информацию, то исследователи получат в свое распоряжение сразу несколько каналов наблюдения, по которым можно проверять теорию. Предложено множество космологических теорий, конкурирующих между собой. Можно будет что-то отсеять. Например, когда на Большом адронном коллайдере открыли бозон Хиггса, сразу отпало несколько теорий.
То есть это будет способствовать отбору работающих космологических моделей. Еще вопрос. Можно ли использовать гравитационную антенну для прецизионного измерения ускоренного расширения Вселенной?
Пока чувствительность очень мала.
А в перспективе?
В перспективе можно использовать и для измерения реликтового гравитационного фона. Но любой экспериментатор вам скажет: «Ай-я-яй!» То есть пока до этого далеко. Дай бог, чтобы мы зарегистрировали астрофизическую катастрофу.
Столкновение черных дыр...
Да. Ведь это же катастрофа. Не дай бог рядом там оказаться. Нас бы не было. А здесь — фончик такой... Пока... «надежды юношей питают, отраду старцам подают».
Может ли служить открытие гравитационных волн еще одним подтверждением существования черных дыр? Ведь встречаются еще те, кто не верит, что они есть.
Да. Как работают в LIGO? Идет запись сигнала, для объяснения которого ученые разрабатывают шаблоны и сравнивают их с данными наблюдений. Столкновение нейтронных звезд, нейтронная звезда падает на черную дыру, взрыв сверхновой, черная дыра сливается с черной дырой... Будем менять параметры, например соотношение масс, начальный момент... Что мы должны увидеть? Идет запись, и в момент сигнала оценивается работоспособность шаблонов. Если шаблон, разработанный для столкновения двух черных дыр, подошел к сигналу, то это — доказательство. Но не абсолютное.
Лучшего объяснения нет? Открытие гравитационных волн проще всего объясняется столкновением черных дыр?
На данный момент — да. Сейчас научное сообщество считает, что это было слияние черных дыр. Но коллективное сообщество — это мнение многих, консенсус. Конечно, если возникнут какие-то новые факторы, от него можно отказаться.
Когда удастся зарегистрировать гравитационные волны не от столь массивных объектов? Не означает ли это, что нужно строить новые и более чувствительные обсерватории?
Есть программа следующего поколения LIGO. Это — второе. Будет третье. Там очень много вариантов. Можно увеличивать расстояние, увеличивать мощность, подвес. Сейчас все это обсуждается. На уровне мозгового штурма. Если будет подтверждаться наблюдение гравитационного сигнала, то будет легче получить деньги на усовершенствование обсерватории.
Ожидается бум строительства гравитационных обсерваторий?
Не знаю. Это дорогое удовольствие (LIGO обошлось примерно в 370 миллионов долларов — прим. «Ленты.ру»). Ведь американцы предложили Австралии построить в Южном полушарии антенну и согласились для этого предоставить все оборудование. Австралия отказалась. Слишком дорогая игрушка. Содержание обсерватории заняло бы весь научный бюджет страны.
Россия принимает финансовое участие в LIGO?
Мы сотрудничаем с американцами. Что дальше будет — непонятно. Пока у нас отношения с учеными хорошие, но политики же всем правят... Поэтому нужно смотреть. Они нас ценят. Мы выдаем результаты действительно на уровне. Но не они же решают, дружить с Россией или нет.
К сожалению, да.
Это жизнь, подождем.
В России не планируется строительство гравитационной обсерватории?
Пока не планируется. В 1980-х годах в Государственном астрономическом институте имени Штернберга МГУ хотели построить в Баксанском ущелье такую же гравитационную антенну, только в меньшем масштабе. Но пришла перестройка, и все надолго накрылось медным тазом. Сейчас ГАИШ МГУ пытается что-то сделать, но пока антенна не заработала...
Что еще можно попробовать проверить при помощи гравитационной антенны?
Справедливость теории гравитации. Ведь большинство существующих теорий основаны на теории Эйнштейна.
Ее никто до сих пор не может опровергнуть.
Она занимает лидирующее положение. Альтернативные теории устроены так, что в основном приводят к тем же экспериментальным следствиям, что и она. И это естественно. Поэтому нужны новые факты, которые бы отметали неверные теории.
Кратко как бы вы сформулировали значение открытия?
Фактически началась гравитационная астрономия. И впервые волны кривизны пространства попались на крючок. Не косвенно, а прямо. Человек восторгается собой: ай да я, ай да сукин сын!
Беседовал Андрей Борисов
*** *** ***
Гравитационные волны зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 05:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, расположенных в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон) в США. Детекторы LIGO обнаружили относительные колебания величиною в десять в минус 19 степени метров (это примерно равно отношению диаметра атома к диаметру яблока) пар разнесенных на четыре километра пробных масс. Возмущения порождены парой черных дыр (в 29 и 36 раз тяжелее Солнца) в последние доли секунды перед их слиянием в более массивный вращающийся гравитационный объект (в 62 раза тяжелее Солнца). За доли секунды три солнечных массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Слияние черных дыр произошло 1,3 миллиарда лет назад (столько времени гравитационное возмущение распространялось до Земли). Анализируя моменты прихода сигналов (детектор в Ливингстоне записал событие на семь миллисекунд раньше детектора в Хэнфорде), ученые предположили, что источник сигнала расположен в южном полушарии. Результаты ученые направили для публикации в журнал Physical Review Letters.