Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

В этой потрясающей обстановке Вебер читал лекции о гравитационных волнах и своем проекте их детектирования, а я заворожено слушал. Между лекциями я и Вебер беседовали о физике, о жизни, об альпинизме, и я почувствовал в нем родственную душу. Мы оба были одиночками, ни я, ни он не любили обстановку напряженного соревнования и напряженного совместного интеллектуального штурма. Мы оба предпочитали бороться с проблемой в одиночку, изредка обращаясь за советом и помощью к друзьям, но не соперничая с теми, кто хочет победить нас в области новых идей или открытий.

В течение следующих десятилетий, когда исследования черных дыр начали разогреваться и входить в свой Золотой век (Глава 7), я начал находить их во многом неприятными — слишком много напряжения, слишком много соревнования, слишком много рывков и наскоков. Поэтому я начал искать другую область исследований, где было бы больше места для моих локтей, к которой я мог бы приложить большую часть своих усилий, продолжая одновременно часть времени работать над черными дырами и другими проблемами. Стимулированный Вебером, я выбрал гравитационные волны.

Как и Вебер, я видел, что гравитационные волны как область исследований, являются ребенком с блестящим будущим. Вступая в эту область в пору ее детства, я мог получить удовольствие от ее развития, я мог бы заложить фундамент, на котором будут основываться потом другие, и я мог делать это, не чувствуя чужого дыхание за спиной, поскольку большинство других теоретиков-релятивистов тогда сфокусировались на черных дырах.

Веберу было нужно сначала заложить экспериментальные основы: изобретение, конструкция и постепенное улучшение детекторов. Мне же нужны были теоретические основания: попробовать понять, что говорят законы Эйнштейна о том, как получаются гравитационные волны, какую отдачу вызывают они у их источников, как они распространяются; попытаться выяснить, какие виды астрономических объектов могут генерировать самые сильные во Вселенной волны, насколько сильными они могут быть и с какими частотами они будут колебаться; изобрести математические инструменты для расчета деталей закодированных в волнах симфоний, исполняемых этими объектами, чтобы к тому времени, когда Вебер или другие, наконец, обнаружат волны, можно было сравнить теорию с экспериментом.

* * *

В 1969 г. я провел по приглашению Зельдовича шесть недель в Москве. В один из дней Зельдович сделал перерыв в бомбардировке меня и других новыми идеями (главы 7 и 12) и отвез меня в Московский университет, чтобы представить молодому физику-экспериментатору Владимиру Брагинскому. Брагинский, стимулированный результатами Вебера, в течение нескольких лет занимался разработкой техники детектирования гравитационных волн: он был первым экспериментатором после Вебера, вступившим в эту область. Он также в это время проводил захватывающий эксперимент по поиску кварков (фундаментальных строительных блоков протонов и нейтронов) и эксперимент по проверке утверждения Эйнштейна, что все объекты, независимо от их природы и состава, падают в гравитационном поле с одним и тем же ускорением (утверждение, которое лежит в основе описания Эйнштейна гравитации как кривизны пространства).

Я был впечатлен. Брагинский был умен, глубок и имел великолепное чутье в физике; он был приветлив и открыт, мог также легко говорить о политике и о науке. Мы быстро стали близкими друзьями и научились уважать взгляды друг друга. Для меня, либерального демократа в американском спектре политических взглядов, свобода индивидуума была важнее всех других соображений. Ни одно правительство не должно иметь права диктовать кому-либо, как он должен жить. Для Брагинского, который был не доктринерским коммунистом, определяющей была ответственность индивидуума перед обществом. Мы отвечаем за своих собратьев и мы находимся в мире, где злодеи, такие как Иосиф Сталин, могут прийти к власти, если мы не будем бдительны.

Слева: Джозеф Вебер, Кип Торн и Тони Тайсон на конференции по гравитационному излучению в Варшаве, Польша, сентябрь 1975 г. Справа: Владимир Брагинский и Кип Торн в Пасадене, Калифорния, октябрь 1984 г. [Слева: фото Марека Хольцмана, предоставлено Анджеем Траутманом; справа: предоставлено Валентином Н. Руденко]

Брагинский предвидел то, до чего не додумался больше никто. Во время нашей встречи в 1969 г., а затем снова в 1971 и 1972 гг. он предупреждал меня, что используемые для поиска гравитационных волн твердотельные антенны имеют фундаментальное предельное ограничение. Как он заявлял, это ограничение исходит из законов квантовой механики. Хотя обычно мы думаем о квантовой механике, как о чем-то, что управляет поведением крошечных объектов, таких как электроны, атомы и молекулы, если мы будем проводить достаточно точные измерения колебаний антенны в одну тонну, мы увидим, что эти колебания тоже ведут себя квантовомеханическим образом, и это квантовомеханическое поведение, в конечном счете, вызовет проблемы в детектировании гравитационных волн. Брагинский убедился в этом, проведя расчеты предельной чувствительности пьезоэлектрических кристаллов Вебера и некоторых других видов датчиков, которые можно было бы использовать для измерения колебаний твердотельных антенн.

Я не понимал, о чем говорит Брагинский, я не понимал его аргументов, не понимал его выводов и не понимал их важности и потому не обращал на это особого внимания. Мне казались гораздо более важными другие вещи, которым он меня учил; от него я узнал, как планировать эксперимент, как разрабатывается экспериментальная установка, как предсказать шум, который будет мешать работе установки, и как бороться с этим шумом, чтобы установка смогла выполнить свою задачу; а от меня Брагинский узнавал о том, как следует понимать законы гравитации Эйнштейна и как выделять их предсказания. Мы быстро становились единой командой, совместным проектом, в который каждый из нас вносил свой опыт и мастерство, и за истекшие два (уже больше трех. — Прим, ред.) десятилетия мы получили много удовольствия от совместной работы и сделали несколько открытий.

Каждый год в начале и середине 1970-х, когда мы виделись в Москве, Пасадене, Копенгагене или Риме, или где-то еще, Брагинский повторял свои предупреждения о квантовомеханической проблеме, подстерегающей детекторы на твердотельных антеннах, и все эти годы я не понимал. Его предупреждения были немного мутными, поскольку сам он полностью не понимал, почему это происходит. Однако в 1976 г., после того как Брагинский и, независимо, Робин Гиффард из Стэнфордского университета смогли сделать это предупреждение более ясным, я вдруг понял. Я, наконец, осознал, что предостережение было серьезным: предельная чувствительность твердотельного детектора серьезно ограничивается принципом неопределенностей.

* * *

Принцип неопределенностей является фундаментальной особенностью законов квантовой механики. Он утверждает, что если вы делаете очень точные измерения положения какого-то объекта, то в процессе измерения вы неизбежно толкаете объект, тем самым, случайным и непредсказуемым образом возмущая его скорость. Чем аккуратнее ваше измерение положения, тем сильнее и тем более непредсказуемо возмущается скорость объекта. Какой бы умный метод измерения положения вы не изобретали, вам не удастся обойти это ограничение природы (см. Врезку 10.2).

Врезка 10.2

Принцип неопределенностей и корпускулярно-волновой дуализм

Принцип неопределенностей тесно связан с корпускулярно-волновым дуализмом (Врезка 4.1), т. е. со свойством частиц вести себя иногда как волны, а иногда как частицы.

Если вы измерите положение частицы (или любого другого объекта, например, торца болванки) и узнаете, что она находится в некоторой области в пределах погрешности измерения, то независимо от того, как волна, соответствующая частице, выглядела до этого, измерительный прибор во время измерения «пнет» волну и загонит ее в границы погрешности. Поэтому волна будет заключена в некоторой области, которая будет выглядеть примерно следующим образом:

Такая сосредоточенная волна содержит много длин волн, покрывающих интервал от размера области погрешности (помеченной сверху словом макс) до малого размера краев, в которых начинается и заканчивается волна (помечено словом мин). Более конкретно сосредоточенная волна может быть представлена в виде суммы или суперпозиции следующих волн колебаний, которые имеют длину волны, уменьшающуюся от макс до мин.

Вспомним теперь, что чем короче длина волны, тем больше энергия колебаний и поэтому тем больше скорость частицы. Поскольку измерение привело к тому, что волна теперь находится в некотором диапазоне длин волн, то энергия и скорость частицы теперь тоже находятся в некотором соответствующем диапазоне. Другими словами, энергия и скорость стали неопределенными.