Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Роль пространства-времени как актёра в огромном космическом представлении наиболее ярко проявляется в гравитационных волнах. Дело в том, что пространство-время колеблется при движении массы, а колебания вызывают волны, как камень, брошенный в пруд. Только в этом случае они расходятся по всей ткани пространства-времени.

Эйнштейн постоянно менял свою точку зрения относительно их существования. В 1916 году он был в нём уверен, потом быстро отказался от этой идеи, а затем вернулся к ней снова в 1936 году. А 14 сентября 2015 года, почти к 100-летнему юбилею предсказания Эйнштейна, гравитационные волны были впервые в истории зарегистрированы на Земле.

Представьте себе, что вы были глухим от рождения, а однажды утром проснулись и обрели слух. Точно так же чувствовали себя в этот момент астрономы. На протяжении всей истории человечества они могли лишь смотреть на Вселенную. Теперь же её можно было услышать.

СМИ любят преувеличивать важность различных явлений, но в данном случае они могли бы с полной уверенностью сказать, что открытие гравитационных волн стало самым важным событием в астрономии с момента изобретения телескопа в 1608 году. Гравитационные волны — это в буквальном смысле голос космоса.

Итак, 14 сентября 2015 года произошло нечто необычное. Во времена, когда самыми сложными организмами на Земле были бактерии, в одной далёкой-далёкой галактике сошлись в смертельном танце две огромные чёрные дыры. Одна из них была в 29 раз больше Солнца, а другая — в 36, и каждая из них двигалась со скоростью, равной половине скорости света. Сделав последний пируэт, они слились в поцелуе, и целых три солнечных массы были уничтожены и превратились в гравитационные волны. Цунами искривлённого пространства-времени помчалось вперёд с такой силой, что на мгновение его выходная мощность в 50 раз превысила мощность всех звёзд во Вселенной.

Пространство-время в миллиард миллиардов миллиардов раз прочнее, чем сталь, поэтому вибрацию в нём может вызвать только очень масштабное космическое событие, как, например, слияние двух чёрных дыр. Но эти волны, как и круги на воде, быстро затухают. Поэтому отголоски волн, которые 14 сентября 2015 года достигли Земли, были очень слабыми.

И тут на сцену вышли LIGO — лазерно-интерферометрические гравитационно-волновые обсерватории (по сути, пара огромных четырёхкилометровых установок, состоящих из лазерных лучей) в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон. [162] Первый детектор гравитационных волн (алюминиевый цилиндр длиной 2 метра и весом 1,4 тонны, который должен был звонить, как колокол, когда в него ударит волна пространства-времени) был построен Джо Уэбером из Университета Мэриленда. В 1970-х годах он заявил, что обнаружил гравитационные волны, но это утверждение оказалось ложным и погубило его репутацию, дав, однако, начало целой отрасли исследований. Четырнадцатого сентября 2015 года в 05:51 по летнему восточному времени установки в Ливингстоне, а через 6,9 миллисекунды — и в Хэнфорде удлинились и сократились на 100-миллионную долю диаметра атома. [163] Overbye D. Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein’s Theory // New York Times. — 11 February 2016 ( http://www.nytimes.com/2016/02/12/science/ligo-gravitational-waves-black-holes-einstein.html ). «Сигнал невероятно слаб, но его источник имеет астрономические размеры. Воздействие невероятно слабо, но награда за его обнаружение бесценна», — написала об этом Жанна Левин из Колумбийского университета в Нью-Йорке. [164] Levin J. Black Hole Blues. — London: The Bodley Head, 2016.

Сотрудники LIGO поняли, что засекли вспышку гравитационных волн, пришедших из космоса, потому что два детектора, отстоящие друг от друга на 2500 километров, зарегистрировали одинаковое воздействие. Это исключало возможность случайного события (например, громкого хлопка дверью в радиусе десяти метров от детектора). Кроме того, физики определили происхождение волн по тому, что их частота сначала увеличивалась, а затем резко обрывалась из-за появления новой чёрной дыры. Результаты наблюдений точно совпадали с предсказаниями Эйнштейна и его общей теорией относительности.

Самое удивительное в этой ситуации то, что прежде теория Эйнштейна проверялась только в условиях очень слабой гравитации (то есть в Солнечной системе), а не вблизи чёрных дыр. Тем не менее она прошла и этот тест. Мировые СМИ сразу же написали, что Эйнштейн был во всём прав. Забавно, но на самом деле он оказался прав и не прав одновременно. Он действительно верно предсказал гравитационные волны, но зря не верил в существование ещё одного своего пророчества — чёрных дыр.

Чёрная дыра окружена воображаемой мембраной, которая обозначает точку невозврата для движущейся по направлению к дыре материи или света. Как по звону можно определить колокол, по звуку этого «горизонта событий» можно вычислить новорождённую чёрную дыру. Раз мы слышали этот звук 14 сентября 2015 года, мы можем быть уверены, что эта дыра существует. [165] Castelvecchi D. The black-hole collision that reshaped physics // Nature. — 23 March 2016 ( http://www.nature.com/polopoly_fs/1.19612!/menu/main/topColumns/topLeftColumn/pdf/531428a.pdf ).

Станции LIGO были созданы в значительной степени благодаря трём людям. Первым из них был Кип Торн из Калифорнийского технологического института, физик-теоретик, который знаменит привычкой одеваться в стиле хиппи, а также множеством пари насчёт чёрных дыр со Стивеном Хокингом (большую часть из которых он выиграл). Вторым — Райнер «Рай» Вайсс, экспериментатор из Массачусетского технологического института, который в 1940-е годы создавал в Нью-Йорке звуковые системы, а сегодня разрабатывает устройства для прослушивания космоса. Вайсс прошёл пешком по всем туннелям LIGO, изгоняя оттуда ос, крыс и прочих непрошеных гостей. Третьего члена этой команды, шотландского физика со сложной и трагической судьбой, звали Рональд Древер.

Невысокий и плотно сбитый человек, носивший свои бумаги с собой в пластиковом пакете из супермаркета и постоянно оставлявший на документах пятна чая и отпечатки жирных пальцев, Древер был гением экспериментальной физики. [166] Этот случай я помню лично. Будучи студентом Калтеха (который вместе с МТИ занимался постройкой LIGO), я участвовал во встрече с Древером, кажется, в 1984 году. В то время как Торну нужно было заполнить множество страниц вычислениями, чтобы ответить на какой-либо технический вопрос, Древер умел найти такое же решение с помощью одной простой диаграммы. К сожалению, он был абсолютно неспособен нести ответственность за работу на проекте, и в 1997 году его уволили. Расстроенный этим, он остался жить в Пасадине, неподалёку от Калифорнийского технологического института. Древер был нелюдимым холостяком, друзей в США он не завёл, и в итоге у него развилась деменция. В своей книге «Black Hole Blues» Левин рассказывает печальную историю о том, как сотрудник Калтеха Питер Голдрайх отвёз ничего не понимающего Древера в нью-йоркский аэропорт имени Кеннеди и посадил на самолёт до Глазго, где у него жил брат. Сейчас Древер находится в доме престарелых в Шотландии, и у Нобелевского комитета осталось совсем немного времени, чтобы воздать ему положенные почести. [167] Рональд Древер умер 7 марта 2017 года. ( Примеч. ред. )