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

Примерно в 1960 г. физика наконец покорила его. Точнее, экспериментальная физика. Работая над дипломом под руководством профессора Джерролда Захариаса, Вайсс сумел создать нечто вроде первых атомных часов для коммерческого применения. Они стали предшественниками «мистера Часы» – устройства, которое лет через десять облетит земной шар в эксперименте Джозефа Хафеле и Ричарда Китингом. Сам Захариас планировал взять часы Вайсса на Юнгфрауйох, гору в Швейцарских Альпах высотой 3470 м, и измерить эффект гравитационного красного смещения намного точнее Роберта Паунда и Глена Ребки, только что поставивших аналогичный эксперимент в соседнем Гарварде.

Планы, связанные со Швейцарией, остались неосуществленными, но Вайсс серьезно увлекся всем, связанным с гравитацией и точными измерениями, – наилучшая научная база для будущего инициатора проекта LIGO. Два года он строил гравиметры в качестве постдокторанта под руководством знаменитого физика Роберта Дикке в Принстонском университете. Вернувшись в MIT, организовал исследовательскую группу для изучения космологии и гравитации. (О космологии – науке о Вселенной – вы узнаете подробнее из главы 9.) В 1960-е гг. эта область исследования находилась в процессе становления. Теория Большого взрыва стала еще более популярной. В частности, в 1964 г. было открыто реликтовое излучение, которое часто называют послесвечением творения. Для физика было очевидно, что космология и ОТО – две стороны одной медали.

Неудивительно, что сотрудники физического факультета MIT предложили Вайссу читать курс ОТО. Это было в 1967 г., примерно в то время, когда Джоселин Белл открыла первый пульсар. Но Рэй Вайсс был на все руки мастер, а не теоретик. «Математика была далека от меня, – говорит он. – Я, конечно, не мог признаться, что не владею материалом. Это был ужасный год. Все свободное время я изучал релятивизм. Иногда я опережал своих студентов всего на день. Они были намного смекалистее меня».

Тем временем в нескольких сотнях километров к юго-востоку, в университете Мэриленда, Джо Вебер экспериментировал с резонаторными детекторами (вы читали об этом в главе 4). Узнав об этом, студенты Вайсса заинтересовались и задали ему вопрос о регистрации гравитационных волн. Снова темный лес! Однако он нашел изящный способ объяснить им идею при помощи трех далеко разнесенных в пространстве, не испытывающих ускорения «контрольных грузов» и точных часов – о часах он знал все. «Не думайте об измерении изменений расстояния, – сказал он студентам. – Представьте, что меряете изменение времени перемещения света. Вы уже должны понимать, о чем идет речь».

Вайсс не знал, что идея не нова. Два русских исследователя, Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт, опубликовали сходные мысли на несколько лет раньше. Однако статья вышла в советском журнале, о котором в США, вероятно, и не слышали. В те годы одним из немногих американских физиков, поддерживающих тесный контакт с советскими коллегами, был теоретик Кип Торн из Калифорнийского технологического института в Пасадене. В разгар холодной войны Торн регулярно ездил в МГУ для совместной работы с группой прецизионных измерений под руководством Владимира Брагинского, благодаря чему и узнал о публикациях.

Как бы то ни было, Вайсс сформулировал базовые принципы гравитационно-волнового интерферометра в эпохальной статье, вышедшей в 1972 г. в Quarterly Progress Report в MIT [46] Rainer Weiss, “Electronically Coupled Broadband Gravitational Antenna” (Райнер Вайсс. Связанные электронными средствами широкополосные антенны для поиска гравитационных волн), Quarterly Progress Report , НИЛ электроники MIT, no. 105 (1972): 54 ( http://www.hep.vanderbilt.edu/BTeV/test-DocDB/0009/000949/001/Weiss_1972.pdf ). . Почти 45 лет спустя ученые, в том числе Торн, высоко ее ценят. В ней описано большинство основных элементов конструкции, детально рассмотрены многие источники шума, с которыми придется столкнуться экспериментаторам, и, главное, возможные пути решения этих проблем. Эта статья очень помогла ученым, уже работавшим над первыми маленькими прототипами интерферометров.

Почему Вайсс сам не построил прототип детектора по рецепту, написанному им в 1972 г.? В действительности построил, но из-за отсутствия денег работа затянулась. Изначально физический факультет MIT получал основное финансирование от министерства обороны. После Второй мировой войны военные нуждались во всех перспективных блестящих ученых и инженерах, которых только могли привлечь. «Не важно, чем они занимаются, просто обеспечьте поток выпускников» – таков был принцип. В начале 1970-х гг., во время безумной, по словам Вайсса, войны во Вьетнаме, эта ситуация стала неудобной для многих людей с левыми взглядами. Они считали, что военные не должны иметь никакого влияния на развитие науки. Новые законы гарантировали, что в будущем министерство обороны сможет поддерживать только научную деятельность, связанную с вопросами национальной безопасности. Космология и гравитация были не сказать чтобы связаны с национальной безопасностью, поэтому Вайсс лишился финансирования от военных, а у MIT было мало как средств, чтобы компенсировать эту потерю, так и заинтересованности. Вскоре администрация института решила распустить его группу. Работа Вайсса над космической миссией по изучению реликтового излучения по-прежнему оплачивалась НАСА, но на программе исследования гравитационных волн был в одночасье поставлен крест (результатом космической миссии стал спутник COBE – Cosmic Background Explorer) [47] Cosmic Background Explorer (COBE): http://science.nasa.gov/missions/cobe . См. также: Минзер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. – М.: Мир, 1973. . Вайссу пришлось обратиться за грантом в Национальный научный фонд (NSF).

В те годы NSF продолжал финансировать эксперименты Джо Вебера с резонансными антеннами. И вот новый интерферометрический метод. Действительно ли он является более плодотворным? В 1974 г. NSF разослал заявку Вайсса на грант различным исследовательским группам для независимой оценки. «Мои идеи обошли весь мир, прежде чем я получил хоть какие-то деньги», – говорит Вайсс. Лишь в конце 1970-х гг. NSF наконец профинансировал строительство его собственного маленького интерферометра-прототипа.

Более ранним прототипом, вдохновленным идеями Вайсса, являлся трехметровый интерферометр в немецком Мюнхене. Его построила группа по изучению гравитационных волн под руководством пионера компьютерной техники физика Хайнца Биллинга из Института астрофизики им. Макса Планка. Биллинг уже строил чувствительные детекторы для проверки идей Джо Вебера и, как и все остальные, ничего не обнаружил. Однако из этого, разумеется, еще не следовало, что волн Эйнштейна не существует. Интерферометрический метод, о котором Биллинг узнал, рецензируя заявку Вайсса на грант от NSF, мог оказаться более перспективным путем к их регистрации. Почему бы не попытаться? Еще одним ранним прототипом стал двухметровый настольный экспериментальный прибор исследовательских лабораторий Хьюза в калифорнийском Малибу. Это было творение бывшего постдока Джо Вебера Боба Форварда.