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

Мне это кажется сомнительным. Я болезненно чувствую недостаточность нашего понимания, когда оцениваю печальное состояние сегодняшних оценок силы гравитационных волн, в которых купается Земля. Для каждого типа гравитационно-волновых источника, который когда-либо предлагался, за исключением, разве, слияния обычных двойных звезд, либо при заданном расстоянии сила гравитационного излучения имеет неопределенность на несколько порядков, либо также на несколько порядков различаются оценки частоты встречаемости таких источников (а тем самым, и возможное расстояние до ближайшего из них). Часто неопределенной является даже сама возможность существования таких источников.

Эти неопределенности вызывают значительные неудобства при планировании и разработке гравитационно-волновых детекторов. Это отрицательная сторона. Положительная сторона заключается в том, что когда гравитационные волны, наконец, будут обнаружены и изучены, мы, может быть, будем вознаграждены многими сюрпризами.

* * *

В 1976 г. я еще не был так пессимистически настроен по поводу твердотельных детекторов. Наоборот, я был в высшей степени оптимистичен. Первое поколение детекторов недавно дало первые результаты и имело чувствительность, которая была замечательно хорошей по сравнению с тем, что можно было раньше предполагать. Брагинский и другие изобрели множество умных и обещающих идей для колоссального улучшения в будущем, а я, как и многие другие, только начинал понимать, что гравитационным волнам предстоит сделать революцию в нашем понимании Вселенной.

Мой энтузиазм и оптимизм вел меня, когда я боролся с собой одним ноябрьским вечером 1976 г., до поздней ночи бродил по улицам Пасадены, раздумывая, стоит ли предлагать Калтеху создание проекта детектирования гравитационных волн. Аргументы «за» были очевидны: для науки в целом — огромный интеллектуальный прорыв, если проект оказывается удачным; для Калтеха — возможность оказаться у основания захватывающего нового поля деятельности; для меня — возможность иметь рядом, в моем собственном институте, команду экспериментаторов, с которой я бы мог взаимодействовать, не полагаясь только на Брагинского и его команду на другом конце света, а также возможность играть более важную роль (а тем самым, и возможность получать большее удовольствие), чем я это мог себе позволить, общаясь в Москве. Аргументы «против» были также очевидны: этот проект был рискованным, для его успеха потребовались бы огромные вложения со стороны Калтеха и Национального научного фонда США, а также грандиозные затраты времени и энергии от меня и других участников, и после всего этого он все равно мог провалиться. Эта затея была гораздо более рискованной, чем вхождение Калтеха в радиоастрономию двадцать три года назад (глава 9).

После многих часов самоанализа приманки преимуществ надо мной победили. А после нескольких месяцев изучения всех рисков и преимуществ факультет астрономии и физики Калтеха и администрация единогласно одобрили мое предложение при условии выполнения двух задач. Мы должны были найти выдающегося физика-экспериментатора, который мог бы возглавить проект, и этот проект должен быть достаточно большим и сильным, чтобы иметь хорошие шансы на успех. Это означало, как мы полагали, что проект должен был быть много большим и сильным, чем усилия Вебера в Мэрилендском университете, усилия Брагинского в Москве и любые другие разворачивавшиеся в то время попытки.

Первый шаг состоял в поиске руководителя. Я полетел в Москву, чтобы попросить совета у Брагинского и прощупать его на предмет занятия этого поста. Мои прощупывания привели к сильнейшим колебаниям. Он разрывался между возможностью работать с гораздо лучшими технологическими возможностями, которые он имел бы в Америке и гораздо лучшим мастерством техников в Москве (например, изощренное стеклодувное дело было почти утеряно в Америке, но не в Москве). Он разрывался между необходимостью строить проект с нуля в Америке и идиотскими препятствиями, которые ставила неэффективная бюрократическая система на пути его собственного проекта в Москве. Он разрывался между лояльностью к своей родной стране и отвращением к ее недостаткам, между чувством, что Америка является варварской страной, вследствие нашего отношения к бедным и к всеобщему медицинскому обслуживанию, и пониманием того, что жизнь в его стране является скудной из-за некомпетентности чиновников. Он разрывался между дружбой и богатством в Америке и боязнью мести КГБ, которая грозила его семье, друзьям и, возможно, ему самому, если бы он «дезертировал». В конце концов, он ответил отказом и рекомендовал Рональда Дривера из Университета Глазго.

Другие, с кем я консультировался, также с энтузиазмом отозвались о Дривере. Как и Брагинский, он был в высшей степени креативен, изобретателен и осторожен, т. е. обладал многими качествами, необходимыми для успеха проекта. Руководство факультета и Калтеха собрало о нем и о других возможных руководителях всю возможную информацию, выбрало Дривера и пригласило его на факультет, чтобы инициировать проект. Как и Брагинский, Дривер колебался, но, в конце концов, сказал «да». Начало было положено.

Предлагая проект, я предполагал, что, так же как Вебер и Брагинский, Калтех сосредоточится на строительстве твердотельных детекторов. К счастью (оглядываясь назад), Дривер настоял на радикально другом направлении. В Глазго он в течение пяти лет работал над твердотельными детекторами и мог поэтому ясно оценивать их ограничения. Он считал, что гораздо более обещающими были интерферометрические гравитационно-волновые детекторы (для краткости интерферометры, хотя они совершенно отличаются от радиоинтерферометров, описанных в главе 9).

Использовать для детектирования гравитационных волн интерферометры в простейшей форме предложили в 1962 г. два русских друга Брагинского (Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт) и независимо в 1964 г. Джозеф Вебер. В 1969 г. Райнер Вайс, не знавший об этих ранних предложениях, разработал более совершенную схему интерферометрического детектора и в 1970 г. начал вместе со своей группой в Массачусетсском технологическом институте (MIT) разрабатывать и строить такой детектор. Такой же проект начал в Малибу, в Калифорнии, Роберт Форвард с коллегами из Исследовательской лаборатории Хьюза. Детектор Форварда был первым заработавшим. К концу 1970-х интерферометрические детекторы стали серьезной альтернативой твердотельным детекторам. Дривер добавил к их конструкции свои собственные хитроумные разработки.

* * *

На рис. 10.6 показана главная идея интерферометрического гравитационно-волнового детектора. К потолку на краях и в углу L-образного интерферометра подвешены на струнах три массы (рис 10.6а). Когда в лабораторию сверху или снизу приходит первый максимум гравитационной волны, его приливные волны должны раздвинуть массы в одном плече буквы «I» и одновременно сдвинуть их вдоль другого плеча. В результате этого длина первого плеча L1, (т. е. расстояние между двумя его массами) увеличится, а длина второго плеча L2 уменьшится. Следя за изменением разности L1—L2 можно искать гравитационные волны.

Слежение за величиной L1—L2 производится интерферометрическим образом (рис. 10.65 и Врезка 10.3). Лазерный луч светит на расщепитель пучка, который закреплен на угловой массе. Расщепитель половину луча отражает, а половину пропускает, расщепляя, таким образом, луч на два. Два луча направляются по двум плечам к крайним массам, отражаются от находящихся на них зеркал и затем возвращаются на расщепитель пучка. Делитель наполовину отражает и наполовину пропускает каждый из лучей, так что часть одного луча соединяется с частью другого луча и светит в сторону лазера, а другие части лучей, соединившись, падают на фотодетектор.

10.6. Лазерный интерферометрический гравитационно-волновой детектор. Этот инструмент очень похож на тот, который использовали Майкельсон и Морли в 1887 г. для поиска движения Земли относительно эфира (глава 1). Детальное описание см. в тексте

Если гравитационных волн нет, вклады двух плечей интерферируют таким образом (Врезка 10.3), что весь свет из интерферометра возвращается по направлению к лазеру, а на фотодетектор не попадает ничего. Если гравитационная волна изменит немного величину L1—L2, то два луча в двух плечах будут путешествовать на немного изменившиеся расстояния и будут интерферировать немного по-другому — крошечная часть их общего света теперь пойдет к фотодетектору. Следя за количеством света, приходящего на фотодетектор, можно следить за изменением разницы между L1и L2 и, таким образом, регистрировать гравитационные волны.