Гравитационные волны обнаружены

В каком-то смысле повторилась история с открытием бозона Хиггса: сперва в середине января в научно-популярных ресурсах распространилась молва, что ученые коллаборации LIGO наконец-то обнаружили гравитационные волны. Мы тоже приняли участие в распространении этих слухов. Затем поступила серия официальных опровержений (впрочем, звучавших лукаво и неубедительно, мол, «слухи — они слухи и есть, а мы знать ничего не знаем»). И наконец, вот в эту минуту, когда мы пишем эти строки, ученые LIGO готовятся к пресс-конференции, на которой тайное наконец станет явным. А когда читатели это прочтут, вся правда выйдет наружу.

Из-за чего сыр-бор? Стоят ли гравитационные волны всей этой шумихи? В научно-популярном жанре есть две традиции. Одна — чуждая нам, западная: по возможности раздувать все научные сенсации, потому что только так можно достучаться до заплывшего жиром обывательского мозга. Другая традиция — отечественная. После объявления о важном открытии (сделанном, как вы понимаете, не в России) отечественные специалисты непременно дают комментарий, что, мол, не надо все упрощать, вы неправильно поняли, в науке все так запутанно и скучно, что обывателю с его суконным рылом не стоит беспокоиться. Так было, например, после открытия «девятой планеты»: бесконечно уважаемый мною ресурс «Постнаука» немедленно разъяснил, как там все на самом деле непросто, непонятно, и вообще никакой планеты, может быть, и нету.

Мы пойдем на поводу у этой отечественной традиции и начнем с того, что гравитационные волны никто не открывал. То есть доказательство их существования получено давным-давно, сами они банальны, как репа на блюде, и обыватель может спокойно отправляться читать колонку Ксении Собчак про снос торговых палаток возле метро. Ну а потом мы все же немного объясним, что сделали ученые из LIGO и почему они заслуживают Нобелевской премии.

Что такое гравитационные волны

Всемирное тяготение — очень простая штука: есть здоровенное Солнце, и мы отсюда, за полтораста мильонов километров, чувствуем его массу. Пока Солнце висит там, где оно есть, мы летаем вокруг него по орбите. Если Солнце вдруг — ну представим себе такое — начнет подергиваться, мы (то есть наша орбита) тоже будет подергиваться в такт.

Можно будет даже сделать машинку, которая превратит эти подергивания, к примеру, в электричество. Приделаем к ней лампочку, и лампочка загорится. Откуда энергия? Да от этих солнечных подергиваний. Как эта энергия дошла бы к нам через вакуум? Обычную энергию Солнца несут к нам фотоны, то есть электромагнитное поле. Но гравитация не очень похожа на электромагнитное поле: если верить Эйнштейну, это просто (просто? Ха-ха!) искривление ткани пространства-времени. И если эту ткань дергать и морщить, то по ней побежит рябь. Эта рябь донесет нам энергию, которой, при удачном раскладе, хватило бы на лампочку.

А если не делать машинку с лампочкой? Если вообще нас бы тут не было, а было бы только подергивающееся Солнце — оно бы все равно разбрасывало по сторонам гравитационную энергию? Похожим вопросом в свое время задался Эрнст Мах (тот самый, с которым спорил Владимир Ильич Ленин, не поняв ни слова в его статьях). Мах тогда решил, что если бы во Вселенной ничего не было, то и всякие подергивания и прочие ускорения не имели бы никакого смысла. Именно его сомнительные рассуждения и вдохновили Эйнштейна на Общую теорию относительности. В результате оказалось, что Мах, вообще говоря, не прав. Дергающаяся масса даже в совершенно пустом пространстве будет рассеивать энергию. Если ее не поймать, она просто улетит в бесконечность. И раз энергия сохраняется, она должна от дергающейся массы перейти к чему-то еще, тоже материальному. Вот это «что-то еще» и есть гравитационные волны — странная, но вполне материальная штука. И, если задуматься чуть-чуть, штука вполне естественная, понятная и неизбежная.

Теперь ближе к практике. С чего бы Солнцу подергиваться? Оно могло бы, в принципе, это делать, если бы было двойной звездой: летали бы две половинки Солнца друг вокруг дружки, и тогда мы бы точно дергались в такт этим движениям. Но Солнце — не двойная звезда. Самое похожее на вторую звезду, что у нас тут в окрестностях имеется, — это планета Юпитер. И действительно, Солнце и Юпитер немножко дергаются в такт своему орбитальному движению. Можно даже рассчитать, по Эйнштейну, сколько именно энергии рассеивает в космос эта гравитационная парочка. Результат такой: пять киловатт. Это примерно мощность электрического водонагревателя у меня в ванной. В домашнем быту — вполне полезный энергетический приварок, да вот беда: эти пять киловатт рассеиваются по всей Солнечной системе, улетают дальше, в открытый космос, и никак эту энергию не поймать. А все потому, что гравитация — довольно слабенькая сила, по сравнению с электричеством.

Чтобы эта сила стала заметной, надо просто взять массу побольше и дергать ее посильнее. Например, можно взять систему из двух звезд, одна из которых — нейтронная (то есть пульсар). Такую систему (PSR B1913+16) как раз и изучили Рассел Халс и Джозеф Тейлор-младший. Как и следовало ожидать, система теряла энергию за счет гравитационных волн, и за это Халс и Тейлор получили Нобелевскую премию. Потому что тогда казалось, что лучшего доказательства реальности этих волн мы никогда не получим. Можно бы, конечно, взять систему из двух бешено вращающихся и сливающихся черных дыр, там бы эффект был посильнее, да только кто эти дыры видел?

Суммируем вышесказанное: идея гравитационных волн лежит на поверхности, а их существование доказано четверть века назад. В чем же сенсация?

Как поймали гравитационные волны

Сенсация в том, что эти волны, собственно, удалось зарегистрировать. То есть увидеть не убыль энергии в системе из двух дергающихся масс, а прибыль энергии в другом месте. А именно тут, у нас, на земле, в эксперименте LIGO («Лазерно-интерференционная гравитационная обсерватория», как мы когда-то уже приблизительно расшифровали эту аббревиатуру).

Гравитационная волна, по Эйнштейну, это возмущение метрики пространства-времени. Если попроще, то это некое подергивание расстояния между двумя точками. Две точки неподвижны, но расстояние между ними слегка меняется из-за того, что вздрагивает само пространство. Насколько сильно меняется? Амплитуда гравитационной волны измеряется тем, насколько короче стал, например, 1 метр. То есть ее меряют в единицах «метр на метр», то есть безразмерных (если хотите, в процентах). Речь идет об амплитудах порядка 10 в минус 23-й степени (забегая вперед, именно такие волны и зарегистрировали физики).

Давайте прикинем, насколько это много или мало. Поскольку речь о волнах, то для наглядного примера возьмем звуковые волны. В натуральном ладу ноты до и си-диез — не совсем одно и то же, и матерые музыканты слышат эту разницу (а обычные музыканты — не всегда). На самом деле разница между соответствующими длинами волн составляет примерно 1%. То есть десять в минус второй степени. А там — в минус двадцать третьей. Нет никаких шансов уловить на слух разницу колебаний струны, вдруг удлинившейся из-за того, что ее растянуло случайно пролетевшей гравитационной волной.

Но гитаристы знают, что если у вас слух не очень хороший, то две струны можно настроить в унисон по «биениям». Принцип в том, что даже если длины волн (или частоты) различаются очень незначительно, то на большом расстоянии эта разница будет постепенно накапливаться, и в какой-то момент две волны, шедшие вначале бок о бок, сперва немного разойдутся, а когда-то и вовсе окажутся в противофазе. Ушами мы услышим ослабление звука, вернее, волну усилений и ослаблений, те самые «биения». Чем биения медленнее, тем точнее настроены две струны. Именно на этом принципе основан тот самый лазерный интерферометр, успех которого мы сегодня празднуем.

Грубо говоря, интерферометр — это два луча лазера, перпендикулярных друг другу. В точке встречи они могут ослаблять или усиливать друг друга, и если пространство «вздрогнет», то есть чуть-чуть сожмется в одном из этих направлений, картинка наложения лазерных лучей слегка изменится. Это изменение и поймали физики.

Трудность, конечно, в том, что сжатие пространства на одну-триллион-триллионную долю — это чертовски маленькое сжатие. Двум световым волнам из лазера, одна из которых вот настолечко короче другой, надо пробежать огромное расстояние, чтобы накопить заметное расхождение. Именно поэтому сам детектор LIGO имеет размер 4 км, а за счет хитрых инженерных приспособлений путь луча увеличивается еще на пару порядков. Инженерная сложность состоит в том, чтобы уловить изменения базы интерферометра за счет именно гравитационных волн, а не из-за того, к примеру, что отдельные фотоны колошматят своими тушками по зеркалу, отчего вся конструкция трясется. Да немало было и других сложностей: рассказать всю эту историю понятными словами нелегко, но все же гораздо проще, чем сделать реально работающую установку.

Именно эти проблемы и решал один из соавторов работы, наш соотечественник, профессор Физического факультета МГУ Михаил Городецкий. Там, в РКЦ, многое знают про лазеры, и это знание очень даже пригодилось международной коллаборации ученых. Именно эти разработки лежали в основе апгрейда детектора, состоявшегося в 2015 году. В результате, по словам Михаила, прошедшие полгода стали «эквивалентны 20 годам при прежней чувствительности» (первая порция финансирования на проект LIGO была выделена еще в 1992 году, а общая стоимость открытия составила 1 млрд долларов — стоимость примерно 10 км российской автострады, если вы понимаете, о чем я).  

Зачем нужны гравитационные волны

С точки зрения природы вопрос дурацкий: без гравитационных волн все будет нелогично, вплоть до абсурда, а природа это отчего-то ненавидит. А вот с нашей точки зрения вопрос имеет смысл. Так вот, волны эти нам нужны для того, чтобы увидеть Вселенную совершенно по-новому. До сих пор все люди — от девочки, августовской ночью пялящейся на звезды, до рентгеновских астрономов — видели космос с помощью электромагнитных волн. Теперь можно посмотреть на все это в «гравитационном свете». Вернее, в звуке: частота гравитационных волн по удачному совпадению почти равна частоте слышимого звука, то есть от сотни до тысячи герц. «Услышанное» детектором LIGO можно, в принципе, преобразовать в фонограмму и прослушать ушами. Готов ставить деньги, что этот фокус будет показан широкой публике в самое ближайшее время. И, кажется, мы уже писали, что «звук» от сливающихся черных дыр похож на воробьиный щебет, этакий «чвик», быстро меняющийся от низкого тона к высокому.

Впрочем, соавтор открытия заслуживает права сказать об этом своими собственными словами: «У нас появились “уши”, которыми мы можем слушать Вселенную. Частоты гравитационных волн, регистрируемые LIGO, фактически звуковые. Их можно переложить в звук и слушать, как чириканье птиц. Мы сможем фиксировать интересные события во Вселенной, кроме того, мы сможем проверить теорию относительности на таком уровне точности, который недоступен для других методов, проверить новые теории и, возможно, приблизиться к созданию квантовой теории гравитации или даже к теории великого объединения».

Вот какие блестящие перспективы. И даже если вклад наших соотечественников в это человеческое свершение состоял в том, чтобы приладить к интерферометру кварцевые зеркала, с точки зрения прогресса знаний это очень-очень немалый вклад. Поздравляем Михаила, а также всех остальных соавторов открытия. Мы за них искренне рады, потому что мы тоже человечество и нам все это небезразлично.

На этом мы и закончим наше краткое введение в гравитационные волны. А саму историю сейчас рассказывают ученые на пресс-конференции; самым любознательным читателям рекомендуем немедленно туда отправиться и услышать все своими ушами.

* Примечание:

Российские участники исследований были так любезны, что прислали в редакцию разъяснение:

«Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и группой Института Прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

Московскую группу создал и вплоть до последнего времени возглавлял член-корреспондент РАН Владимир Борисович Брагинский — всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. В состав научной группы, включенной в число соавторов научного открытия, также входят профессора кафедры физики колебаний: Валерий Митрофанов (нынешний руководитель коллектива), Игорь Биленко, Сергей Вятчанин, Михаил Городецкий, Фарид Халили, доцент Сергей Стрыгин и ассистент Леонид Прохоров. Неоценимый вклад в исследования внесли студенты, аспиранты и технический персонал кафедры.

Группа Московского университета участвует в проекте с 1992 года. С самого начала основные усилия были направлены на повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, определение фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений чувствительности, на разработку новых методов измерений. Теоретические и экспериментальные исследования российских ученых нашли свое воплощение при создании детекторов нового поколения, позволивших непосредственно наблюдать гравитационные волны от слияния двух черных дыр».