Вот уже лет двадцать ведущие физики мира ждут, когда у них на руках появится нечто такое, что позволит найти квантовую гравитацию. А пока они ждут, американский профессор Кип Торн ищет во Вселенной гравитационные волны. Похоже, что он вот-вот их найдет. С этого момента начнется новая физика.

Торн принадлежит к весьма немногочисленной компании ученых, изучающих гравитацию за границей теории относительности. Это та область, где ОТО Эйнштейна должна пересечься с квантовой теорией. Именно там должна родиться еще неведомая теория квантовой гравитации, поисками которой занимался весь научный XX век. Ее появление сулит принципиально новую физику, новое представление об устройстве Вселенной.

— Я занимаюсь тем, что называю «деформированной стороной Вселенной», — объясняет Торн. — Это объекты, которые состоят исключительно или по большей части из искривленного пространства-времени. Мы точно знаем, что такие объекты существуют. Нейтронные звезды на пятнадцать и более процентов состоят из искривленного пространства-времени. Из него же состоит около восьмидесяти пяти процентов вещества черных дыр и сто процентов гравитационных волн. Мой вопрос не в том, существует ли эта искривленная сторона Вселенной, а в том, чтобы понять, что она собой представляет.

Что оно собой представляет — в этом и есть главная интрига современной физики. Факт искривления пространства-времени Вселенной теоретически установил еще Эйнштейн в начале прошлого века. Вся общая теория относительности (сокращенно ОТО) об этом. Почему-то нашему пространству удобней быть изогнутым, нелинейным, а лучу света почему-то удобней бежать по дуге. Вопрос — почему?

Потому что есть гравитация, говорят ученые. Искривление и гравитация суть одно и то же. Там, где есть гравитация, пространство будет искривлено. Она его неотъемлемое свойство. Она есть везде и была всегда. Гравитационное поле — самое первое поле Вселенной, а гравитационные волны, соответственно, ее самые первые волны. Они, а не пресловутый бозон Хиггса, который только что обнаружили в Большом адронном коллайдере, появились в первый миг бытия мира.

Вот только, что это такое, физики так до конца понять и не могут. Едущий по улице автомобиль или колышущиеся занавески гонят гравитационную волну и искривляют пространство. Только очень слабо. Ни один детектор, произведенный руками человека, до сих пор ее не фиксировал.

— Надо понимать, что все наши описания природы имеют свою область применимости, — наконец говорит профессор. — Единой теории гравитации на все случаи жизни нет, и я не думаю, что она возможна. Все зависит от феномена, с которым вы работаете. Если вы имеете дело с планетами или звездами, то гравитация — это то, что описано Ньютоном: закон всемирного тяготения. Если вам нужна гораздо более высокая точность, но при этом вы не вторгаетесь в квантовую область, то гравитация — это то, что описано Эйнштейном: искривление пространства-времени. Но если вас интересует центр черной дыры, рождение Вселенной или связь между гравитацией и фундаментальными частицами, то гравитация — это феномен, природы которого мы еще не знаем.

— Ничего нельзя предсказать, — говорит он наконец, поднимая брови. — Физик-теоретик отличается от политика тем, что политик не знает, что такое быть неправым, а физик неправ каждый день. Но когда мы оказываемся неправы, наука становится гораздо интересней. Я хочу больших сюрпризов, а ожидаю, что не будет никаких сюрпризов. Изучение деформированной стороны Вселенной поставило нас в открытую ситуацию. Это может дать нам абсолютно новую физику, а может и не дать. Понятно, что прогресс в физике будет связан с пониманием того, как сочетать ОТО и квантовую механику. Это понимание откроет глаза на самые важные вопросы: какова природа рождения Вселенной, есть ли другие вселенные, что внутри черной дыры и даже можно ли путешествовать назад во времени. Но любые предсказания здесь будут безответственны.

Ловля гравитационных волн до сих пор была одним из самых безнадежных упражнений для физиков. Первопроходцем в этом деле был вовсе даже не Торн, а наш соотечественник, профессор Владимир Брагинский. Еще в 70-е годы с его легкой руки в подвале университетского физфака были установлены самые первые детекторы, долженствующие различить искомые волны среди густого месива других волн. Гравитацию тогда пытались ловить так называемыми весами Этвеша. Весы были особенные и должны были реагировать на малейшие колебания. Но на земле-матушке так много чего колеблется, что весы все время что-то показывали.

Однажды все-таки удалось засечь один четко воспроизводимый результат. Каждый вечер в одно и то же время прибор показывал одно и то же нарушение равновесия. Тогда весь физфак замер в трепетном ожидании. Но Брагинский быстро испортил праздник. Оказалось, что прибор честно фиксировал момент, когда последние трамваи с Университетского проспекта дружной толпой отправлялись в парк.

Для того чтобы уловить пространственные судороги Вселенной, нужен был конкретно наблюдаемый объект, чье гравитационное излучение было бы огромным. Но какой объект? Где его искать? Гравитацию излучает в общем-то все, что есть, точнее, имеет массу. Но так слабо, что зафиксировать это наземными способами просто нереально. И Земля, и Солнце отлично демонстрируют ньютоновский закон всемирного тяготения, но в смысле гравитационных волн они совершенно бесполезны.

Надо было искать во Вселенной какое-то особое, сверхгравитационное событие. Первым, кто предположил, что такое событие существует и его можно наблюдать в реальности, был еще один российский физик, знаменитый Яков Зельдович. Вращающиеся черные дыры, утверждал Зельдович, будут излучать мощнейшие гравитационные волны. Их надо искать и ловить. «Они будут излучать гравитацию так же, как вращающийся металлический диск будет порождать электромагнитное поле!» — утверждал Зельдович.

Инцидент не имел бы продолжения, если бы не совместные работы Торна и Стивена Хокинга о черных дырах. Расчеты, проделанные за последующие пять лет, показали, что Зельдович был абсолютно прав. Вращающиеся черные дыры действительно порождают мощнейшие гравитационные волны. А если представить себе, что две такие дыры сталкиваются, продолжал рассуждать Торн, мы получим один из самых сильных гравитационных спазмов Вселенной! Так был найден объект поиска — беспроигрышный объект, чья гравитационная энергия максимальна и может быть зафиксирована. С этого момента вся жизнь Торна в науке подчинена исключительно этому грандиозному сюжету.

— Нас интересует, что происходит, когда две черные дыры сталкиваются, — разносится с кафедры спокойный голос Торна. — С точки зрения фундаментальных понятий черные дыры, сталкиваясь, неизбежно обнаруживают нелинейную динамику искривленного пространства-времени. Это и есть то, что я пытаюсь понять.

— В районах полюсов черной дыры возникает как бы вихрь, я это называю вортекс, — говорит Торн. — Если вы хотите совсем простой картинки, то эти вихри-вортексы связаны с вращающейся черной дырой так же, как мои руки связаны с моим телом, когда я кручусь на одном месте. На северном полюсе каждой дыры вортекс закручивается по часовой стрелке, а на южном — против часовой. При этом сами черные дыры вращаются в разные стороны. Когда они сталкиваются, внутри такого конгломерата возникает внутренняя вибрация. В этот момент черные дыры обмениваются завихрениями, то есть направлениями вращений этих вортексов.

— Я хочу вам напомнить, что, будучи частью пространства, вы не можете избежать искривления, оказавшись в непосредственной близости к черной дыре, — вежливо замечает Торн. — Когда вы падаете, допустим, на северный полюс черной дыры, происходит следующее. Там есть эффект турбулентности. Он все закручивает. При этом голова и ноги закручиваются в разные стороны. Любой протяженный предмет будет разорван на две части. Из-за разницы в скоростях вращения голова будет видеть ноги, вращающиеся против часовой стрелки, а ноги увидят голову вращающейся по часовой стрелке. То есть наблюдатель со стороны видит, что они вращаются в разные стороны.

— Так же, как движущийся заряд рождает переменное электромагнитное поле, — поясняет Торн ключевой момент теории, — движущиеся гравитационные вихри рождают вторичное, связанное поле. Когда это связанное поле перемещается по пространству, оно создает волну искривления. Пространство начинает содрогаться, что и порождает гравитационную волну.

Сам пространственный вихрь, исходящий из полюса черной дыры, Торн именует вортексом, а расходящееся вокруг вторичное поле — тендексом. При этом вортекс оказывается аналогом электрического поля, а тендекс — магнитного.

Во время катастрофических столкновений черных дыр такие судороги прокатываются по Вселенной со скоростью около 400 км/с. Мощность этих волн колоссальна. Точно установлено, что при столкновении черных дыр 10% их массы превращается в гравитационное излучение. Для примера скажем, что при столкновении частиц, происходящем в Большом адронном коллайдере, в гравитационные волны уходит лишь менее 0,5% их массы. «Светимость» (то есть, грубо говоря, энергия) порождаемой гравитационной волны составляет примерно 10% совокупной энергии сталкивающихся черных дыр. Это приблизительно 10 тысяч «светимостей» гравитационных излучений всех звезд Вселенной вместе взятых. «Светимость» гравитационной волны двух столкнувшихся черных дыр превысит гравитационную «светимость» Солнца в 1034 раза.

Именно такие волны, уверен Торн, и можно будет наблюдать в реальности.

Вот уже как лет тридцать назад специалисты нескольких ведущих физических лабораторий мира под руководством Торна начали создавать прообразы так называемых интерферометров, использующих для наблюдения фазовый сдвиг лазерного луча. Формально говоря, устройство такого интерферометра предельно просто. Берем два зеркала, устанавливаем друг напротив друга и пускаем между ними лазерный луч. При прохождении гравитационной волны поверхность зеркала испытает некое искажение, а приборы покажут некоторый сдвиг фаз при прохождении луча. Вот и все. Вот только расчеты показали, что для достижения нужной точности система должна представлять собой сложнейшую конструкцию в форме буквы «г» с двумя четырехкилометровыми плечами и высоким вакуумом внутри.

Два года Торн уговаривал Национальный научный фонд США (NSF) вложиться в эту затею. Стоимость проекта оценивалась в запредельную по тем временам сумму 365 миллионов долларов. Кроме твердой веры Торна, никаких других доказательств потенциальной эффективности идеи в природе не существовало. В 1992 году чудо случилось. Контракт с NSF был подписан. Кип Торн вместе с двумя коллегами основал лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию, или проект LIGO, ставший самой дорогостоящей инициативой NSF за всю историю его существования.

— Сейчас в LIGO участвуют 150 ученых из 75 стран мира. Когда в 89-м году мы предложили этот проект, — вспоминает Торн, — нам пришлось разбивать его на два этапа. Технология была настолько сложна, что первый этап заключался просто в приобретении чернового опыта на имитационных интерферометрах. Они ничего не могли засечь, но надо было понять, как это работает. Чуть меньше двух лет назад мы наконец перешли к инсталляции интерферометров, нацеленных собственно на засекание волн. Их установка закончится к концу 2013 года. Еще три года я кладу на настройку. И вот к 17-му году я прогнозирую возможность успеха.

Фантастические по сложности и точности Г-образные громады уже построены в Ливингстоне (штат Луизиана), Хэнфорде (штат Вашингтон), Пизе и Ганновере. Эти гравитационные уши способны фиксировать сигнал с точностью до 10–22, находящийся на расстоянии 4 миллиардов световых лет.

— Должен сказать, что как теоретик я восхищен техникой LIGO, — разводит руками Торн. — Разность хода луча на расстоянии четыре километра между зеркалами составляет 10–4 секунды! Это впечатляет.

Цифры, озвученные Торном, знаменуют переход к принципиально новому классу измерений на границе так называемого стандартного квантового предела. За этим пределом любое измерение по определению становится некорректным. Просто потому, что сам факт наблюдения будет нарушать измерительную точность.

— Впервые в истории мы будем наблюдать квантовое поведение объектов человеческого масштаба, — объясняет Торн. — Это смена парадигмы мышления в макроскопических измерениях. Мы до сих пор никогда не сталкивались с ситуацией, к которой экспериментаторы давно привыкли в микромире. Эта ситуация связана с принципом неопределенности Гайзенберга. До LIGO все наблюдения в макромире могли быть неточны только по причинам человеческого фактора. А сейчас мы столкнулись с принципиальным запретом самой природы на абсолютную точность…

http

(4299)