Зыбь пространства-времени

Профессор Райнер Вейсс создал систему подавления вибрационного шума, что и позволило зафиксировать гравитационные волны. Фото Reuters

Нынешнюю, 2017 года, Нобелевскую премию по физике могли дать и в прошлом году. Все были восхищены достижением, сделанным в 100-летнюю годовщину гениального открытия Альберта Эйнштейна. Именно он, сформулировав в 1915 году  общую теорию относительности (ОТО), предсказал – «в пику» ньютоновскому закону всемирного тяготения – генерацию в недрах Вселенной гравитационных волн, которые затем распространяются со скоростью света.

Премию по физике «неравномерно» распределили между немцем Райнером Вейссом, родившимся в 1932 году в Берлине в еврейской семье, вынужденной сначала бежать в Прагу, а затем, в 1939 году, – в Соединенные Штаты. После получения докторской степени Вейсс в 1962 году поступил на работу в Массачусетский технологический институт, расположенный неподалеку от Бостона.

Второй лауреат, Барри Бэриш, родился четырьмя годами позже в городе  Омаха, штат Небраска. И он тоже в 1962 году оказался в Калифорнийском технологическом институте (Калтеке), что в лос-анджелесском районе Пасадена.

Самый молодой из физиков-лауреатов этого года, Кип Торн, появился на свет в 1940 году в городе Логан, штат Юта. Сначала он стал сотрудником престижного Принстонского университета, в котором Эйнштейн в течение трех десятилетий пытался создать единую теорию поля, а затем начал  сотрудничать и с Калтеком.

Американскому физику немецкого происхождения присудили половину денежной суммы, а двум его коллегам – по четверти. Именно Вейсс еще в 1970-е предложил теоретическое обоснование и сумел создать действенную систему подавления вибрационного шума, заявив, что ни проезжающие грузовики, ни океанские волны не должны вносить погрешности в измерения слабых гравитационных волн.

Немец сумел так подвесить зеркала, отражающие лазерный луч, что они могли реагировать только на «рябь» (ripples) пространства-времени, свидетельствующую о прохождении волн гравитации. Энергия этих волн «сжимает» и «растягивает» четырехмерное пространство (4D). А его коллега Торн «вооружил» будущий детектор волн лазером, создав с шотландцем Рональдом Древером (он умер в марте 2017 года) достаточно чувствительный интерферометр, регистрирующий ничтожные изменения длины лазерного луча.

Расчеты, однако, показывали, что лабораторные масштабы явно недостаточны для решения в прямом и переносном смысле грандиозной задачи. Довольно быстро выяснилось, что лазерный интерферометр должен иметь два плеча длиной не менее 4 км каждый. Для строительства столь гигантского прибора требовались федеральные ассигнования, которые пришлось «выбить» в Конгрессе США. По этой причине к проекту в 1994 году присоединился Барри Бэриш, сумевший организовать строительство двух первых детекторов для наблюдения гравитационных волн – LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory – гравитационная обсерватория с лазерным интерферометром).

Одна из этих установок была сооружена в степях близ Ханфорда на северо-западе США, где в свое время получали ядерную начинку для бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. В 3000 км от нее, у города Ливингстон, в болотистой местности штата Луизиана, находится вторая обсерватория. Разнесение приборов на столько большое расстояние объясняется требованиями к регистрации гравитационных волн, имеющих большую длину. К тому же удаленность обсерваторий друг от друга увеличивало «окно» наблюдений.

Заслугой Бэриша является также и то, что он сумел придать научной группе, насчитывавшей 40 человек, международный размах. Это было крайне важно в самых разных аспектах и оправдало себя.

Первая регистрация гравитационных волн случилась в ночь на 14 сентября 2015 года, то есть нынешняя премия относится к числу «скорейших» (лишь считаное число их присуждали буквально на следующий год, например за открытие высокотемпературной сверхпроводимости). Генерация волн была вызвана слиянием двух черных дыр, масса которых в 20–30 раз превышала солнечную. Произошло это событие около полутора миллиардов лет назад, и лишь в сентябре 2015-го гравитационный «прилив» достиг Земли. За два года американскими LIGO было зафиксировано еще два эпизода. Детализация наблюдений и их совершенствование зависели от расширения «базы» исследований. Поэтому международный проект возлагал большие надежды на пуск в строй еще одного интерферометра, который построили в Италии близ Пизы. Еще до своего официального открытия установка Virgo («Дева») в четвертый раз зафиксировала «вспышку» гравитационной активности. Сначала физики предполагали, что на этот раз речь идет о слиянии двух сверхмассивных нейтронных звезд, пребывавших от нас на расстоянии почти 2 млрд  световых лет! Однако параметры гравитационных волн подтвердили, что и на этот раз речь идет о слиянии двух черных дыр.

Премия по физике показывает, что достижения человеческого гения и упорства не ограничиваются лишь взлетами теоретической мысли. В то же время она демонстрирует, что и гении – даже такие, как Эйнштейн, – могут заблуждаться. Достаточно вспомнить, что он был категорически против нарождавшейся квантовой физики, практическим воплощением которой  стали мазер и лазер – их создание в свое время было отмечено Нобелевской премией.

Что же касается премии 2017 года, то новое достижение «наземных» экспериментаторов подстегнуло искания теоретиков. Они вот уже в течение века пытаются соединить гравитационного коня и трепетную лань квантовой механики, феномены которой «грубо» разбивает физическая реальность…