Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Когда он поступил на работу в Стэнфорд, все сошлось воедино. В эксперименте, задуманном Шиффом и Фейрбэнком, должны были использоваться сверхточные гироскопы – правильные сферы размером с мяч для настольного тенниса. Намагниченные и охлажденные почти до абсолютного нуля, они обеспечили бы максимально возможную точность измерений.

На то, чтобы запустить проект, понадобилась уйма времени. Сначала не хватало финансирования – Эверитт до сих пор недоумевает, как Шифф и Фейрбэнк умудрялись платить ему зарплату. Столь же ничтожным был и прогресс. Затем подключилось НАСА, что было одновременно хорошо и плохо: дело сдвинулось с мертвой точки, но космическое агентство несколько раз едва не погубило проект. В конце 1970-х гг. стартовала программа космических шаттлов, и НАСА решило запустить Gravity Probe B на шаттле – дорогостоящая программа пилотируемых полетов опиралась на любые подвернувшиеся научные обоснования своего существования. Однако в 1986 г. взорвался «Челленджер», унеся жизни семи астронавтов, и в НАСА не осталось желающих тратить средства на потенциально рискованный физический эксперимент. Даже запланированная полетная демонстрация на борту шаттла была отменена.

В последующие несколько лет неоднократно менялось руководство НАСА, то увеличивался, то сокращался бюджет агентства, и множились слушания на Капитолийском холме. В начале 1990-х гг. миссия была одобрена, главным образом благодаря руководителю проекта Брэду Паркинсону. Эверитт до сих пор убежден, что включение Паркинсона в команду в середине 1980-х гг. стало самым важным событием на тернистом пути миссии Gravity Probe B. Не ученый, а полковник ВВС, изобретатель и инженер, Паркинсон способствовал реализации GPS и знал, за какие ниточки дергать. Более того, команда из Стэнфорда получила жизненно важную поддержку Дэниэла Голдина, руководившего НАСА в 1992–2001 гг.

Gravity Probe B был запущен с базы ВВС Вандерберг в Калифорнии 20 апреля 2004 г. Ни Шифф, ни Фейрбэнкс не дожили до этого момента, а Эверитт успел отметить 70-летие. Но он считает, что ожидание того стоило.

Около года четыре гироскопа Gravity Probe B двигались по орбите вокруг Земли в состоянии почти идеального свободного падения, экранированные от солнечной радиации, микрометеоритов и перепадов температур герметичным корпусом космического аппарата. Более 2400 литров сверхтекучего жидкого гелия поддерживали температуру чувствительной научной аппаратуры лишь на 1,8° выше абсолютного нуля.

Благодаря идеальной сферической форме роторы гироскопов сохраняли ориентацию относительно собственной системы отсчета – слегка искривленного пространственно-временного континуума вблизи Земли. Между тем установленный в фиксированном положении телескоп Gravity Probe B был направлен на звезду в созвездии Пегаса. Геодезическая прецессия и увлечение инерциальных систем отсчета должны были вызвать очень медленное смещение ориентации гироскопов относительно спутника. Чувствительные сверхпроводящие квантовые интерферометры были способны измерить расхождение осей намагниченных роторов гироскопов и главного телескопа менее 0,0005″.

Это, конечно, очень отличается от плавания на остров Принсипи и фотографирования солнечного затмения. Это намного сложнее, чем посылать гамма-лучи из цоколя на верхний этаж Лаборатории Джефферсона в Гарварде, измеряя крохотное изменение длины волны, и несопоставимо дороже кругосветного полета атомных часов коммерческими рейсами, но эксперимент являлся уникальной возможностью проверить ОТО Эйнштейна. Малейшие несовпадения с ней имели бы колоссальные последствия.

Анализ данных Gravity Probe B занял долгие годы. Релятивистские эффекты были чрезвычайно слабы, а помехи в измерениях значительны. Наконец весной 2011 г. были оглашены результаты, хорошо согласующиеся с предсказаниями Эйнштейна. В противном случае проект, безусловно, оказался бы на передовицах газет. «Эйнштейн ошибался!» – убойный заголовок. Однако Эйнштейн вновь оказался прав. Геодезическая прецессия: 6,6″ в год. Увлечение инерциальных систем отсчета: 0,037″ в год. Чрезвычайно слабые эффекты, но почти точно совпавшие с предсказанными значениями. Никогда еще ОТО не проверялась и не подтверждалась со столь высокой точностью. Не вздумайте заявить Фрэнсису Эверитту, что вложенные в проект $750 млн не окупились.

Мы наконец покончили с попытками подтвердить или опровергнуть теории Эйнштейна?

Ни в коем случае [28] О проверке ОТО см.: Amanda Gefter, “Putting Einstein on the Test” (Аманда Гефтер. Проверяем Эйнштейна), Sky & Telescope 110, no. 1 (июль 2005): 33. См. также: Clifford M. Will, Was Einstein Right? Putting Relativity to the Test (Клиффорд Уилл. Был ли прав Эйнштейн? Проверка общей теории относительности) [New York, Basic Books, 1986; 1993]; тот же авт. “Was Einstein Right? Testing Relativity at the Centenary” (Был ли прав Эйнштейн? Проверка теории относительности в столетний юбилей), Annals of Physics 15, no. 1, 2 (январь 2006): 19–33. .

ОТО в нынешней форме может оказаться не последним словом о природе пространства, времени и гравитации. Дело в том, что она не совместима с квантовой механикой, другим краеугольным камнем физики XX в. (я вернусь к этой проблеме в главе 12). Рано или поздно физики неизбежно столкнутся с результатами экспериментов, не вполне подтверждающими предсказания одной из двух теорий, аналогично тому, как странное поведение орбиты Меркурия не согласовывалось с теорией Ньютона. Для физиков это будет сродни маленькому облачку на горизонте – на первый взгляд безобидное, оно может обернуться чудовищной грозой. В результате будут получены зацепки, указывающие путь к новым и более совершенным теориям.

Неудивительно, что первая прямая регистрация гравитационных волн в сентябре 2015 г. была воспринята как один из важнейших научных прорывов за многие десятилетия. До сих пор это предсказание Эйнштейна, сделанное 100 лет назад, никогда не находило прямых подтверждений. Был также создан новаторский метод изучения самых таинственных объектов во Вселенной – ЧД.

Возможно, новый инструмент подарит нам ключ к тайнам пространственно-временного континуума?

Филипу Моррисону не на что было надеяться, кроме трости.

В понедельник 10 июня 1974 г. десятки физиков собрались в Массачусетском технологическом институте (MIT) на Пятую Кембриджскую конференцию по релятивизму. Приглашенные лекторы, обсуждения, стендовые доклады, вопросы и ответы – ничего особенного. Обычное собрание ученых.

Все изменилось, когда речь зашла о гравитационных волнах. Два видных участника конференции – Джо Вебер и Дик Гарвин начали дискуссию, переросшую сначала в спор, затем в выкрики и оскорбления. Наконец они вскочили и с яростью кинулись друг на друга у всех на виду, скрипя зубами и сжимая кулаки. Что стряслось?