Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

В 1974 году два американских астрофизика, Джо Тейлор и Рассел Хале, обнаружили не одну, а две нейтронных звезды, вращающиеся относительно общего центра масс по очень компактной орбите. Одна из этих звезд представляла собой пульсар, испускающий световые вспышки каждые несколько тысячных секунды и легко отслеживаемый в процессе перемещений вокруг своего притихшего компаньона. Так как эти нейтронные звезды двигались вокруг общего центра, Тейлор и Хале смогли с удивительной точностью измерить их позиции. Так они обнаружили новую идеальную лабораторию для проверки общей теории относительности. Эйнштейн утверждал, что подобные объекты испускают энергию в окружающее пространство-время, поэтому их орбиты будут постепенно сокращаться, пока, в конце концов, они не упадут друг на друга. Позднее он отказался от данного утверждения, но все расчеты сохранились и были доступны для проверки. Именно такую проверку и позволял сделать миллисекундный пульсар Халса и Тейлора.

В 1978 году на девятом Техасском симпозиуме в Мюнхене Джо Тейлор объявил о полученных результатах. После четырех лет наблюдений он мог уверенно утверждать, что орбита действительно сокращается, причем в полном соответствии с предсказаниями Эйнштейна. Две нейтронные звезды, вращающиеся относительно общего центра масс, теряют энергию посредством гравитационного излучения. Доказательство гравитационного излучения было косвенным, тем не менее оно определенно присутствовало. Все красиво согласовывалось с теорией, а результаты измерений были четкими и однозначными. Гравитационные волны действительно существовали.

На руинах опытов Вебера родилась новая область экспериментальной науки. Различные группы по всему миру создавали собственные детекторы. Некоторые дорабатывали исходную конструкцию Вебера, сильно охлаждая цилиндры, чтобы избежать вибраций при комнатной температуре. Другие меняли форму приемников, создавая сферы, чтобы обеспечить чувствительность к волнам, приходящим с любой стороны. Однако сигналы, за которыми они охотились, были столь краткими и иллюзорными, что требовались детекторы большего размера и лучшего качества с огромной чувствительностью, способные зафиксировать рябь в пространстве-времени. Однако существовал подход, выделявшийся на общем фоне благодаря своей большей действенности и вместе с тем намного большей стоимости: лазерная интерферометрия.

Лазерный интерферометр объединил в себе лучшие инструменты современной физики. В нем используется лазерный луч — невероятно сфокусированный свет. Правильно настроенный лазер может осветить расположенный за много миль от него кончик карандаша. Фактически Джо Вебер стал одним из первых ученых, предложивших концепцию лазера. Это произошло еще до его увлечения гравитационными волнами. Он сделал это одновременно с Чарльзом Таунсом из Колумбийского университета, но его вклад так никогда в полной мере и не был оценен. Не попал он и в число награжденных в 1964 году Нобелевской премией за это открытие.

Лазерная интерферометрия использует также способность света проявлять волновые свойства. Представьте волны в океане. При столкновении двух волн с одной длиной возникает интерференция. Это означает, что при столкновении двух волн в момент, когда обе волны на гребне, они арифметически складываются, и результирующая волна получает более высокий гребень (и более глубокую впадину). Но если волна на гребне сталкивается с волной, находящейся в нижней точке, они компенсируют друг друга и взаимно уничтожатся. Разумеется, между этими двумя крайними случаями существует целый спектр вариантов поведения.

Эти два свойства лазерного луча можно использовать для распознавания минимальных перемещений объектов под действием гравитационных волн. Порядок действий является следующим. Нужно подвесить два массивных объекта на некотором расстоянии друг от друга и каждый из них осветить лазером. Отражаемые объектами лучи начнут интерферировать друг с другом, образуя узоры в зависимости от длины волны и пройденного расстояния. Интерференционная картинка изменится даже при минимальном смещении одного из объектов. Следя за этой картинкой, можно обнаружить микроскопические перемещения, вызванные гравитационными волнами. Точность и достоверность такого эксперимента будут намного выше, чем при работе с детекторами Вебера.

Лазерная интерферометрия подразумевает совершенно новый, по крайней мере для релятивистов, способ заниматься наукой. Обычно работа над теорией относительности велась с карандашом и бумагой, а эксперименты ставились очень редко. Существовало несколько лабораторных установок, но сотрудничество между университетами и институтами было весьма скромным. Ничего общего с физикой элементарных частиц и ядерной физикой с их гигантскими ускорителями и реакторами. Но теперь требовалась новая культура, подразумевающая трату десятков и даже сотен миллионов долларов на экспериментальные установки. На смену группам из нескольких человек шли организации с сотней ученых и технических специалистов.

На этот раз все следовало сделать правильно. Исследователи уже знали, что они хотят найти. Было понятно, что гравитационные волны должны исходить от объекта, раздвигающего границы теории. Пульсары Халса и Тейлора выглядели вполне безобидно — просто две компактные звезды, вращающиеся вокруг общего центра. Однако создавалось впечатление, что они вполне в состоянии испускать волны в таком количестве, которого достаточно для уменьшения энергии, поддерживающей их орбиты. Нейтронные звезды находятся практически на грани взрыва и в достаточной мере искажают пространство и время, чтобы высветить теорию Эйнштейна во всем ее блеске.

Одним из возможных источников множества гравитационных волн является сверхновая. Сверхновыми называют взрывающиеся звезды, которые на несколько секунд начинают светиться ярче, чем миллиарды звезд в галактике вместе взятые, а потом превращаются в нейтронные звезды или черные дыры. Сверхновая в любой момент своего существования является самым ярким объектом на небе. Так как она является сильным источником электромагнитных волн, астрофизики предположили, что ее энергии может хватить на то, чтобы завязать в узел и встряхнуть пространство-время, породив множество гравитационных волн. В 1987 году сверхновая вспыхнула в Большом Магеллановом облаке, находящемся на расстоянии примерно 160 000 световых лет от Земли. Ее можно было наблюдать через обычные телескопы. Ко всеобщему стыду, ни один из детекторов, пытающихся зафиксировать гравитационные волны, в тот момент запущен не был. Исключая детекторы Джо Вебера. Он заявил, что кое-что обнаружил, но, как обычно, был проигнорирован.