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

Во второй раз я посетил обсерваторию в конце января 2015 г., примерно через 13 лет после того, как LIGO начала поиск гравитационных волн. Совсем иное впечатление! Луч лазера переотражался внутри двух 4-километровых плеч интерферометра. Я почти 10 минут ехал на машине от одного конца L-образного детектора до другого (огромные размеры всего комплекса можно оценить с воздуха или с помощью Google Earth). На посту управления молодые ученые и инженеры прилипли к мониторам: повсюду хипстерские бороды, «хвосты» и ботанские футболки. На гигантских экранах по стенам отображалось состояние инструментов детектора. Зона LVEA была заполнена чуткими приборами, упрятанными в вакуумные резервуары из нержавеющей стали. Готовые декорации для фильма о Джеймсе Бонде!

Совершенно другой вид открывался с крыши главного здания. В 1998 г. передо мной простирались леса и болота под Ливингстоном в Луизиане. В 2015 г. раскинулась пустынная панорама Хэнфордского комплекса на юго-востоке штата Вашингтон. Не спешите удивляться! Напомню, что были построены две одинаковые обсерватории LIGO на расстоянии около 3030 км друг от друга (по той же причине, по которой Джо Вебер работал с двумя далеко разнесенными в пространстве резонансными антенными детекторами, – чтобы исключить ложноположительные результаты). Однако, находясь внутри, вы не заметите разницы между двумя научными комплексами. Ученые из Ливингстона, приезжающие в Хэнфордскую обсерваторию, легко в ней ориентируются (разве что некоторые двери открываются иначе).

Принадлежащий министерству энергетики Хэнфордский комплекс к северу от города Ричланда не пользуется популярностью у туристов. Семьдесят с лишним лет назад здесь работал плутониевый реактор, вырабатывающий топливо для атомной бомбы, которая была взорвана над японским городом Нагасаки в августе 1945 г. К северо-западу от LIGO счетчики Гейгера выдают присутствие огромного подземного хранилища радиоактивных отходов. Трасса № 10, соединяющая шоссе № 240 и дорогу Глейд-Норт, представляет собой длинную прямую полосу асфальта в пустыне. Пыль и перекати-поле проносятся через короткую подъездную дорогу к LIGO.

В Луизиане все иначе. Ливингстон – тихий городок к востоку от Батон-Руж. Автозаправочная станция, хозяйственный магазин и несколько сотен домов – вот, собственно, и все. Поворот за магазином фейерверков выводит на трассу № 63, проложенную на север. Следуя плавным изгибам шоссе, вы недолго едете через лес и оказываетесь на грунтовке, ведущей в северо-западном направлении к обсерватории. Главное здание окружено маленькими прудами и группами деревьев. Обстановка более расслабленная и непринужденная, как и следует ожидать в «Пеликаньем штате».

Здесь ранним утром в понедельник, 14 сентября 2015 г., – если быть точным, в 04:50:45 по летнему времени центральных штатов (Ливингстон) или в 02:50:45 по тихоокеанскому летнему времени (Хэнфорд) – писалась история науки. Через столетие после того, как Альберт Эйнштейн завершил работу над общей теорией относительности, обсерватории-близнецы LIGO осуществили первую прямую регистрацию проходящей гравитационной волны. В течение примерно 1/5 секунды чувствительные детекторы измеряли слабые возмущения пространственно-временного континуума в 10 000 раз меньше диаметра протона – ядра атома водорода. Долгие десятилетия поисков наконец увенчались успехом.

Мы еще вернемся к разговору о GW150914, а в главе 8 я подробнее расскажу о непростой судьбе LIGO. Но сначала познакомимся с техническим решением. Это потрясающе! Одна десятитысячная размера атомного ядра – как можно измерить настолько слабый эффект? И откуда уверенность, что регистрируются действительно волны Эйнштейна, а не что-нибудь более ординарное?

Давайте начнем с основ. Что именно мы пытаемся измерить? Колебания пространственно-временного континуума. Я рассказывал об этом понятии в главе 4 – не стесняйтесь перечитать соответствующие абзацы, если вам нужно освежить память. Напомню самую суть. Нарисуйте на земле большой квадрат. Гравитационная волна, приходящая перпендикулярно из точки прямо над вашей головой (зенита), слегка деформирует квадрат. Сначала он увеличивается в направлении север – юг и уменьшается в направлении восток – запад. Затем сжимается по оси север – юг и растягивается на восток и запад. Квадрат дрожит. Насколько быстро? Это зависит от частоты волны. Насколько сильны деформации? Это зависит от амплитуды волны.

Таким образом, от нас требуется точно фиксировать размеры квадрата, желательно одновременно в двух направлениях. Разумеется, незачем измерять все четыре стороны. Достаточно следить за двумя перпендикулярными сторонами, сходящимися в одном из четырех углов. Возникает L-образная структура. Этим и продиктована форма LIGO.

Что, если гравитационная волна приходит не строго сверху? Два плеча L-образной структуры и в этом случае будут растягиваться и сжиматься, но в меньшей степени, в зависимости от угла падения. Однако LIGO действительно гораздо чувствительнее к волнам Эйнштейна, идущим из зенита, точно сверху – или точно снизу (помните, Тони Тайсону пришлось напомнить Джо Веберу, что Земля прозрачна для гравитационных волн).

Если вы хотите измерить меняющиеся длины двух плеч L, никакая линейка вам не поможет. Дело в том, что растягивается и сжимается сам пространственно-временной континуум, следовательно, все, что находится в нем , будет растягиваться и сжиматься вместе с ним. Если деформируется одно плечо L, то приложенная к нему линейка деформируется точно так же. Поэтому ученые оценивают изменение длины по изменению интервала времени, необходимого свету для того, чтобы дойти от одного края плеча до другого.

Одно из основных предположений ОТО – постоянство скорости света. Не важно, что происходит с пространственно-временным континуумом, свет всегда движется с одной и той же скоростью – 300 000 км/с. Таким образом, если пространственно-временной континуум растягивается в определенном направлении – если между двумя точками становится чуть больше пространства, свету понадобится на ничтожную долю секунды больше времени, чтобы попасть из точки А в точку В. Значит, вместо линейки нужно использовать часы.

Физики и астрономы в совершенстве владеют точным измерением времени. Хороший пример приводился в главе 6. Время прихода импульсов двойного пульсара измерялось с точностью выше одной миллионной секунды. Этого достаточно, чтобы вычислить массы и орбитальные параметры звезд системы. Как мы видели, это позволяет даже зарегистрировать гравитационные волны, хотя и косвенно.