Гравитационная волна дошла до Стокгольма

Нобелевскими лауреатами 2017 года по физике стали Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш, стоявшие у истоков знаменитой международной обсерватории LIGO, впервые экспериментально детектировавшей гравитационные волны.
Гравитационная волна дошла до Стокгольма
Нобелевский комитет признал, что гравитационные волны действительно открыты.
Фотография: ТАСС

Физическая Нобелевка в этом году ожидаемо вручена ученым, внесшим наиболее значительный вклад в ярчайший экспериментальный успех науки XXI века — долгожданное обнаружение гравитационных волн.

Специалисты международной обсерватории LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) наконец смогли подтвердить легендарную гипотезу Альберта Эйнштейна, сто лет назад постулировавшего существование в природе особых энергетических колебаний (колебаний пространства—времени), которые возникают при изменении скорости движения любого сверхмассивного объекта.

Причем теоретически эта премия вполне могла достаться ученым еще в прошлом году: два детектора обсерватории LIGO, расположенные на расстоянии порядка трех тысяч километров друг от друга, впервые зафиксировали кратковременный сигнал из далекого космоса еще 14 сентября 2015-го. Однако официальное заявление об открытии гравитационных волн было сделано лишь 11 февраля 2016-го, то есть спустя почти пять месяцев, а жесткий дедлайн для номинации на очередные Нобелевские премии истек 31 января.

Справедливости ради нужно уточнить, что помимо почетного профессора MIT (Массачусетского технологического института) Райнера Вайсса и двух представителей Калтеха (Калифорнийского технологического института в Пасадене) — еще одного почетного профессора физики частиц Барри Бэриша и все еще действующего профессора теоретической физики Кипа Торна — награду мог и должен был получить шотландец Рональд Древер. Наравне с Вайссом и Торном он в 1970-е годы был одним из главных разработчиков принципиально нового типа гравитационно-волновых приемников — лазерных оптических интерферометров-антенн на свободных массах. Но, увы, в отличие от своих коллег-долгожителей (Торну, самому молодому из «призовой троицы», 77 лет, Бэришу — 81, Вайссу — 85), Древеру, который был старше Вайсса на год, дожить до объявления решения Шведской Королевской академии не удалось — он скончался в Эдинбурге 7 марта этого года.


От гипотезы к мегаустановке

Альберт Эйнштейн разработал основные положения общей теории относительности (ОТО), которую часто также называют теорией гравитации, еще в середине второго десятилетия прошлого века. Великий физик предположил, что пространство и время неотделимы друг от друга и составляют единую структуру с четырьмя измерениями. Согласно ОТО, любое тело, обладающее массой, искривляет единую пространственно-временную ткань, и чем больше масса, тем сильнее будет проявляться этот эффект.

Многие ключевые постулаты революционной теории Эйнштейна в течение последующих десятилетий были прямо или косвенно подтверждены в результате различных научных экспериментов, однако важнейший элемент ОТО — гипотеза о существовании в природе гравитационных волн — очень долго не поддавалась

практической проверке.

Гравитационное взаимодействие — самое слабое из всех фундаментальных физических взаимодействий: его интенсивность примерно на 40 порядков ниже, чем электромагнитного. Поэтому ученые-теоретики (в том числе сам Эйнштейн) изначально предложили сосредоточиться на поимке волн, исходящих от супермассивных космических объектов, в идеале рассматривался сценарий успешного детектирования финальной стадии большой космической катастрофы — столкновения и последующего слияния двух черных дыр. Но наиболее мощные источники гравитационных возмущений (черные дыры и нейтронные звезды) находятся на очень большом расстоянии от Земли, то есть порождаемые ими гравитационные волны резко ослабевают по мере приближения к нам — в полном соответствии с классическим законом обратных квадратов.

Поэтому для того, чтобы суметь уловить на Земле такие быстро затухающие сигналы, астрофизикам необходимо было сначала добиться колоссального прогресса в сфере разработки и практического конструирования сверхчувствительных гравитационно-волновых детекторов, способных, как довольно быстро стало понятно, зафиксировать изменение расстояния между объектами вследствие воздействия на них гравитационных волн на величину порядка 10–19 метра, что в тысячи раз меньше диаметра атомного ядра.

Более того, нужно было еще добиться, чтобы эти «волшебные» детекторы могли успешно отфильтровывать все посторонние источники (различные фоновые шумы), которые можно было бы по ошибке принять за гравитационные волны.

Первые попытки экспериментального обнаружения гравитационных волн были предприняты лишь в 1960-х. Пионером в этой области был американец Джозеф Вебер, разработавший первую модель специального резонансного детектора (антенны) — очень компактной по сравнению с современными гигантами установки. Затем Вебер долго и безуспешно пробовал ее модифицировать и даже утверждал (вплоть до своей смерти в 2000 году), что ему удалось-таки зарегистрировать гравитационные волны, однако его коллеги довольно быстро убедились, что эти заявления были совершенно необоснованными.


Без Древера и Брагинского

Принципиально новая идея, связанная с применением лазерных гравитационно-волновых детекторов — интерферометров-антенн на свободных массах, возникла в начале 1970-х у американца Райнера Вайсса из MIT. Механизм работы таких детекторов основан на использовании классического физического явления — интерференции, то есть взаимного усиления или ослабления двух и более волн, одновременно распространяющихся в пространстве, при их наложении друг на друга.

Райнер Вайсс разработал их первые рабочие прототипы, а несколькими годами позже по схожему пути пошли шотландец Древер и сотрудник Калтеха Кип Торн (Древер и Торн совместно работали над своей версией в Лос-Анджелесе). Причем Вайсс считается главным инженером-кудесником, разработавшим и успешно сконструировавшим целый ряд ключевых элементов будущей конструкции мегаустановки LIGO, в том числе уникальную схему подвески специальных зеркал («пробных масс») внутри вакуумированных оптических Г-образных плеч-туннелей (каждый из этих туннелей-«дублеров» LIGO в двух американских штатах, Луизиане и Вашингтоне, имеет протяженность около четырех километров). Кипа Торна же многие называют ведущим теоретиком этого нового эксперимента, тогда как несколько позже присоединившийся к Вайссу, Торну и Древеру Барри Бэриш был талантливым организатором-менеджером — во многом благодаря его настойчивости и упорству в 1992 году наконец удалось официально запустить крупномасштабный международный проект строительства научной обсерватории LIGO.

Бэриш стал руководителем этого проекта в 1994 году и постепенно добился того, что небольшая исследовательская группа из сорока человек в итоге разрослась до огромной научной коллаборации, в которой к моменту экспериментального обнаружения гравитационных волн в 2015 году участвовало более тысячи ученых и инженеров из пятнадцати стран мира.

Гравитационно-волновая обсерватория LIGO, официально открытая в 2002 году, после первого восьмилетнего этапа своей работы (с 2002-го по 2010-й), не приведшего к каким-либо позитивным результатам, была затем радикально модернизирована (по неофициальным оценкам, на это ушло более полумиллиарда долларов) и перезапущена через четыре года. Экспериментаторам удалось достичь огромного прорыва практически по всем ключевым направлениям, прежде всего — резко улучшить механические и оптические характеристики детектирующей аппаратуры

Детали знаменитого столкновения двух черных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет от Земли, приведшего к мощному выбросу гравитационных волн, которые 14 сентября 2015 года в итоге докатились до мегаустановкиLIGO, подробно описаны всеми уважающими себя СМИ, поэтому повторять их здесь мы не станем.

Уточним лишь, что позднее специалистам этой обсерватории еще как минимум трижды удалось повторно зафиксировать эти волны, то есть сомнений в научной достоверности полученного ими важнейшего результата уже ни у кого не возникает. Не возникло их и у шведских академиков, присудивших Нобелевскую премию по физике трем американским исследователям с официальной формулировкой «за определяющий вклад в работуLIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) и экспериментальное наблюдение за гравитационными волнами».

Немалый вклад в это внесли, в частности, участвующие в проекте российские специалисты — команда физического факультета МГУ под руководством ветерана гравитационно-волновых исследований Владимира Брагинского (как и его одногодок Древер, Брагинский совсем немного не дожил до нынешней Нобелевки — он умер в марте 2016 года).
Стоит отметить, что использовать интерферометр Майкельсона для непосредственного обнаружения гравитационных волн впервые предложили в 1962 году советские физики Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт (ЖЭТФ, 43, 605, 1962, см. также Soviet Physics JETP, v. 16, No. 2, 433, 1963), но эта работа осталась незамеченной, а вторично идея была выдвинута американскими физиками в начале 1970-х годов. К сожалению Михаил Евгеньевич Герценштейн скончался в 2010 году. А Владислав Иванович Пустовойт жив и здоров, до недавнего времени был директором Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН, в настоящее время — его научный руководитель.

Детали знаменитого столкновения двух черных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет от Земли, приведшего к мощному выбросу гравитационных волн, которые 14 сентября 2015 года в итоге докатились до мегаустановки LIGO, подробно описаны всеми уважающими себя СМИ, поэтому повторять их здесь мы не станем. Уточним лишь, что позднее специалистам этой обсерватории еще как минимум трижды удалось повторно зафиксировать эти волны, то есть сомнений в научной достоверности полученного ими важнейшего результата уже ни у кого не возникает. Не возникло их и у шведских академиков, присудивших Нобелевскую премию по физике трем американским исследователям с официальной формулировкой «за определяющий вклад в работу LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) и экспериментальное наблюдение за гравитационными волнами».


Еще по теме