Коллапс удачи: Как российские физики гравитационные волны чистили
Открытие гравитационных волн - яркий пример выдающегося научного прорыва и поразительной удачи. Нам здорово повезло, признаются сами участники нынешнего триумфа. Повезло, что две "черные дыры" именно сейчас решили устроить грандиозное космическое шоу - слиться воедино. Ведь они сближались миллионы лет, но никаких встрясок пространства, которые могли бы погнать мощные гравитационные волны, не происходило. Требовался настоящий коллапс, событие Вселенского масштаба. И он произошел. Вдруг за какие-то доли секунды две дыры в 29 и 36 масс Солнца слились воедино. И выбросили в пространство гигантскую энергию в 50 процентов их общей массы. Ее хватило, чтобы пройдя фантастическое расстояние в 1,3 миллиарда световых лет, все же отметиться на приборе, который ожидал этот визит многие годы.
Предсказание великого физика
В этой истории как в капле воды отражается сама суть настоящей науки. Это сейчас открытие гравитационных волн сравнивают с открытием частицы Бога, бозоном Хиггса, называют Священным Граалем космологии, пророчат Нобелевскую премию. А ведь за 100 лет, прошедших с момента предсказания Эйнштейном этих волн, у физиков не раз опускались руки, закрадывалось сомнение, а не ошибся ли великий ученый? Может, никаких волн вообще нет? Ведь в поисках проходили годы, менялись поколения ученых, которые положили жизнь на поиски, и никакого результата.
Почему же появившиеся в формулах великого физика волны так долго не удавалось поймать? Из школьного курса мы знаем про гравитацию только одно: все тела притягиваются по закону всемирного тяготения. Эйнштейн в своей Общей теории относительности дал принципиально новый взгляд на гравитацию и предсказал гравитационные волны. Он же рассчитал, что мощность гравитационного излучения вращающего с предельной скоростью стержня длиной один метр составляет мизерную величину - 10 в минус 37 ватта. Нет у науки таких приборов, которые смогли бы поймать столь мизерный сигнал.
Но нерешаемые задачи только раззадоривают настоящих ученых. Им, что называется, подавай проблемы на Нобеля. И здесь был тот самый случай. Поэтому на гравитационные волны началась настоящая охота. Одним из энтузиастов был профессор МГУ Владимир Брагинский. В подвале здания он поставил эксперимент по обнаружению волн. И вроде бы сигнал удалось зарегистрировать. Назревала сенсация. Однако сам автор отменил праздник, он понял, что в опыт вкралась серьезная ошибка.
Несмотря на неудачи, физики не сдавались. В ведущих лабораториях мира проводили все новые эксперименты, однако предсказанный Эйнштейном феномен никак не давался в руки. Владимир Брагинский вспоминал, как однажды советский физик Вадим Фок первым сказал: "Ребята, вам нужны совсем другие массы, Вселенского масштаба". То есть искать гравитационные волны надо среди экзотических объектов, созданных самой природой - "черных дыр" и нейтронных звезд.
Но если прояснился сам объект охоты, то оставалось неясным, с чем на него выходить. Предлагались самые разные варианты. Решающей стала идея советских физиков Михаила Герценштейна и Владислава Пустовойта. Они предложили создать антенну для ловли гравитационных волн, используя лазер и интерферометр Майкельсона. Это в итоге и было реализовано.
Как волну поймали
Суть эксперимента в следующем. В двух американских штатах на расстоянии около 3000 километров уставили две антенны LIGO. Это трубы длиной 4 километра, расположенные перпендикулярно друг другу. Луч лазера расщеплялся надвое. Лучи отражались от зеркал, подвешенных на концах труб, а затем сходились воедино в фотодетекторе. Если сигнала о гравитационных волнах нет, то расстояния, которые пробегают лучи, равны, и в детекторе они гасят друг друга. Экран остается темным. Если же долгожданная волна пришла, то своей гравитацией она сдвинет зеркала, путь лучей изменится, и экран вспыхнет.
Более 20 лет детектор оставался темным. И тогда физики поняли, что надо еще повышать чувствительность. На это ушло целых пять лет, с 2010 по 2015 год. А когда антенны вновь были включены, почти сразу пришел успех. Мечта длиной в 100 лет осуществилась. Но для этого пришлось создать в приборе действительно фантастическую чувствительность. При длине плеча антенны в 4 километра удалось поймать отклонение величиной в 10 минус 19 степени метра. Это в десять тысяч раз меньше диаметра атомного ядра. Сегодня это предельная точность измерения, которую до сих пор удавалось достичь на Земле.
Вклад России
От России в коллаборации LIGO принимают участие две лаборатории из Москвы и Нижнего Новгорода. Важнейший вклад внесен в создание системы, которая позволяют выделить столь слабый сигнал на фоне шума. Задача сложнейшая. Ведь сигнал гравитационных волн в тысячи раз слабей, чем шум от теплового движения зеркал и других элементов антенны. Отделить этот "писк" от "грохота" удалось во многом благодаря нашим ученым. Особо отмечает вклад россиян один из инициаторов проекта, американский профессор Кип Торрн. По его словам, именно Владимир Брагинский первым обратил внимание на необходимость учитывать при измерениях квантовые эффекты.
А в Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород) создан изолятор Фарадея. Дело в том, что луч, который посылает лазер, ни в коем случае не должен хотя бы частично возвращаться назад. Иначе вся система разладится. За право создать такой метод защиты соревновались ученые разных стран. Российский вариант был признан наилучшим.
Что дальше
По словам профессора МГУ Валерия Митрофанова, открылось новое окно для изучения Вселенной. Началась новая эра в науке, гравитационно-волновая астрономия. Она позволит понять суть "темной материи" и "темной энергии". Как известно, на эти феномены приходится более 95 процентов массы Вселенной. Ученые мечтают замахнуться на самую заветную цель физики, о которой мечтал Эйнштейн. Речь идет о создании "теории всего", или как ее еще называют теории всеобщего объединения. В ней воедино должны слиться все четыре физических взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Кроме того, ученые надеются увидеть реликтовые гравитационные волны - те самые, которые стали распространяться по Вселенной почти сразу после Большого взрыва. "Это позволит заглянуть в самое начало времен, - говорит профессор МГУ Фарит Халили.
Юрий МЕДВЕДЕВ
Предсказание великого физика
В этой истории как в капле воды отражается сама суть настоящей науки. Это сейчас открытие гравитационных волн сравнивают с открытием частицы Бога, бозоном Хиггса, называют Священным Граалем космологии, пророчат Нобелевскую премию. А ведь за 100 лет, прошедших с момента предсказания Эйнштейном этих волн, у физиков не раз опускались руки, закрадывалось сомнение, а не ошибся ли великий ученый? Может, никаких волн вообще нет? Ведь в поисках проходили годы, менялись поколения ученых, которые положили жизнь на поиски, и никакого результата.
Почему же появившиеся в формулах великого физика волны так долго не удавалось поймать? Из школьного курса мы знаем про гравитацию только одно: все тела притягиваются по закону всемирного тяготения. Эйнштейн в своей Общей теории относительности дал принципиально новый взгляд на гравитацию и предсказал гравитационные волны. Он же рассчитал, что мощность гравитационного излучения вращающего с предельной скоростью стержня длиной один метр составляет мизерную величину - 10 в минус 37 ватта. Нет у науки таких приборов, которые смогли бы поймать столь мизерный сигнал.
Но нерешаемые задачи только раззадоривают настоящих ученых. Им, что называется, подавай проблемы на Нобеля. И здесь был тот самый случай. Поэтому на гравитационные волны началась настоящая охота. Одним из энтузиастов был профессор МГУ Владимир Брагинский. В подвале здания он поставил эксперимент по обнаружению волн. И вроде бы сигнал удалось зарегистрировать. Назревала сенсация. Однако сам автор отменил праздник, он понял, что в опыт вкралась серьезная ошибка.
Несмотря на неудачи, физики не сдавались. В ведущих лабораториях мира проводили все новые эксперименты, однако предсказанный Эйнштейном феномен никак не давался в руки. Владимир Брагинский вспоминал, как однажды советский физик Вадим Фок первым сказал: "Ребята, вам нужны совсем другие массы, Вселенского масштаба". То есть искать гравитационные волны надо среди экзотических объектов, созданных самой природой - "черных дыр" и нейтронных звезд.
Но если прояснился сам объект охоты, то оставалось неясным, с чем на него выходить. Предлагались самые разные варианты. Решающей стала идея советских физиков Михаила Герценштейна и Владислава Пустовойта. Они предложили создать антенну для ловли гравитационных волн, используя лазер и интерферометр Майкельсона. Это в итоге и было реализовано.
Как волну поймали
Суть эксперимента в следующем. В двух американских штатах на расстоянии около 3000 километров уставили две антенны LIGO. Это трубы длиной 4 километра, расположенные перпендикулярно друг другу. Луч лазера расщеплялся надвое. Лучи отражались от зеркал, подвешенных на концах труб, а затем сходились воедино в фотодетекторе. Если сигнала о гравитационных волнах нет, то расстояния, которые пробегают лучи, равны, и в детекторе они гасят друг друга. Экран остается темным. Если же долгожданная волна пришла, то своей гравитацией она сдвинет зеркала, путь лучей изменится, и экран вспыхнет.
Более 20 лет детектор оставался темным. И тогда физики поняли, что надо еще повышать чувствительность. На это ушло целых пять лет, с 2010 по 2015 год. А когда антенны вновь были включены, почти сразу пришел успех. Мечта длиной в 100 лет осуществилась. Но для этого пришлось создать в приборе действительно фантастическую чувствительность. При длине плеча антенны в 4 километра удалось поймать отклонение величиной в 10 минус 19 степени метра. Это в десять тысяч раз меньше диаметра атомного ядра. Сегодня это предельная точность измерения, которую до сих пор удавалось достичь на Земле.
Вклад России
От России в коллаборации LIGO принимают участие две лаборатории из Москвы и Нижнего Новгорода. Важнейший вклад внесен в создание системы, которая позволяют выделить столь слабый сигнал на фоне шума. Задача сложнейшая. Ведь сигнал гравитационных волн в тысячи раз слабей, чем шум от теплового движения зеркал и других элементов антенны. Отделить этот "писк" от "грохота" удалось во многом благодаря нашим ученым. Особо отмечает вклад россиян один из инициаторов проекта, американский профессор Кип Торрн. По его словам, именно Владимир Брагинский первым обратил внимание на необходимость учитывать при измерениях квантовые эффекты.
А в Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород) создан изолятор Фарадея. Дело в том, что луч, который посылает лазер, ни в коем случае не должен хотя бы частично возвращаться назад. Иначе вся система разладится. За право создать такой метод защиты соревновались ученые разных стран. Российский вариант был признан наилучшим.
Что дальше
По словам профессора МГУ Валерия Митрофанова, открылось новое окно для изучения Вселенной. Началась новая эра в науке, гравитационно-волновая астрономия. Она позволит понять суть "темной материи" и "темной энергии". Как известно, на эти феномены приходится более 95 процентов массы Вселенной. Ученые мечтают замахнуться на самую заветную цель физики, о которой мечтал Эйнштейн. Речь идет о создании "теории всего", или как ее еще называют теории всеобщего объединения. В ней воедино должны слиться все четыре физических взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Кроме того, ученые надеются увидеть реликтовые гравитационные волны - те самые, которые стали распространяться по Вселенной почти сразу после Большого взрыва. "Это позволит заглянуть в самое начало времен, - говорит профессор МГУ Фарит Халили.
Юрий МЕДВЕДЕВ