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

* * *

Интересно сравнить твердотельный детектор и интерферометр. Твердотельный детектор использует для слежения за приливными силами гравитационных волн колебания отдельного твердотельного цилиндра. Интерферометрический детектор использует для слежения за приливными силами относительные движения масс, подвешенных на струнах.

Врезка 10.3

Интерферометры и интерферометрия

Если в одной и той же области пространства распространяются две или больше волны, они «линейно» (Врезка 10.1) накладываются друг на друга, т. е. они попросту складываются. Например, следующие волны, показанные пунктирной и штриховой линиями, накладываются друг на друга, образуя волну, показанную сплошной линией.

Обратите внимание на места, подобные обозначенному буквой А, где провал одной (пунктирной) накладывается на гребень другой (штриховой) волны, по крайней мере частично, и образуют исчезающее малую суммарную волну (сплошная линия), а также на места, где, как в В, складываются два провала и волны усиливают друг друга. Говорят, что в первом случае имеет место деструктивная интерференция, а во втором — конструктивная. Такие наложения с интерференцией возможны для любых типов волн: морских, радио, световых, гравитационных, и такая интерференция играет ключевую роль в работе радиоинтерферометров (глава 9) и интерферометрических детекторов гравитационных волн.

В интерферометрическом детекторе на рис. 10.6б расщепитель луча накладывает половину луча из одного плеча на половину луча из другого плеча и направляет их к лазеру, а также складывает другие половины лучей и посылает их на фотодетектор. Если никакая гравитационная волна или другая сила не двигала массы и зеркала на них, то световые волны будут иметь вид, как на следующих рисунках, где штриховой линией показана волна из первого плеча, пунктирной — из другого, а сплошная линия изображает суммарную полную волну.

Направляемые к фотодетектору волны интерферируют деструктивно, поэтому полная суммарная волна исчезает, что означает, что детектор вообще не видит никакого света. Если гравитационная волна или какая-либо другая сила немного удлиняет одно плечо и укорачивает другое, то волны из одного плеча приходят на расщепитель луча с небольшой задержкой по отношению к волнам из другого плеча, и наложение имеет следующий вид:

Деструктивная интерференция в направлении фотодетектора теперь уже не идеальная, и фотодетектор получает немного света. Количество света, которое он получает, пропорционально разнице длин L1—L2 которая, в свою очередь, пропорциональна гравитационно-волновому сигналу.

Твердотельный детектор использует для слежения за колебаниями, вызванными волнами, электрический датчик (например, сжимаемый болванкой пьезокристалл). Интерферометрический детектор для слежения за вызванным волной движением своих масс использует интерференцию световых волн.

Болванка откликается в унисон только на гравитационные волны в узком частотном диапазоне, и поэтому для декодирования симфонии волн требуется ксилофон из многих болванок. Массы интерферометра болтаются свободно и откликаются на волны всех частот, больших чем примерно одно колебание в секунду[104], и поэтому интерферометр имеет широкую полосу: чтобы расшифровать всю симфонию достаточно трехчетырех детекторов.

Сделав плечи интерферометров в тысячи раз длиннее, чем болванки (несколько километров вместо единиц метров), можно сделать приливные силы волн в тысячу раз большими, тем самым улучшив в тысячу раз чувствительность инструмента[105]. В отличие от этого длину болванки нельзя сильно увеличить. Болванка длиной в 1 километр будет иметь собственную частоту меньше, чем одно колебание в секунду, и поэтому не сможет работать на частотах, на которых находятся, как мы считаем, наиболее интересные источники. Более того, чтобы работать на таких низких частотах, для защиты твердотельной антенны от колебаний земной поверхности и флуктуаций гравитации земной атмосферы пришлось бы запустить такую болванку в космос, что было бы бессмысленно дорогим удовольствием.

Поскольку интерферометр в тысячу раз длиннее твердотельной антенны, он также в тысячу раз менее чувствителен к «пинку», производимому процессом измерения. Эта нечувствительность означает, что интерферометрам не нужно избегать с помощью сложных в конструировании квантово-неразрушающих датчиков[106].

Если у интерферометров столько больших преимуществ перед твердотельными детекторами (гораздо большая полоса частот и гораздо лучшая чувствительность), почему же Брагинский, Вебер и другие не делали интерферометры? Когда я спросил об этом в середине 1970-х Брагинского, он ответил, что твердотельные детекторы просты, а интерферометры пугающе сложны. Маленькая сплоченная команда, такая как у него была в Москве, имела некоторый шанс сделать хорошо работающую твердотельную антенну и открыть гравитационные волны. Однако для разработки, отладки и успешной работы интерферометрического детектора требовалась гигантская команда и огромное количество денег. И даже при наличии такой гигантской команды и при таких огромных вложениях Брагинский сомневался в конечном успехе создания столь сложного детектора.

Десятью годами позже, когда накопилось достаточно свидетельств тому, что твердотельные детекторы не смогут достичь чувствительности 10-21, Брагинский посетил Калтех и был потрясен прогрессом, достигнутым с интерферометром командой Дривера. Он пришел к выводу, что, в конечном счете, с помощью интерферометров можно будет добиться успеха. Но огромная команда и большие денежные затраты были не для него, поэтому, вернувшись в Москву, он перенаправил большую часть работы своей команды на другие направления, далекие от детектирования гравитационных волн[107]. (В других лабораториях в мире твердотельные антенны продолжали строить, и это очень хорошо, поскольку они дешевы по сравнению с интерферометрами, пока еще более чувствительны[108] и в долговременной перспективе могут сыграть свою роль на более высоких частотах.)

* * *

В чем состоит сложность интерферометрических детекторов? Ведь основная идея, описанная на рис. 10.6, выглядит довольно просто.

На самом деле рис. 10.6 является чрезмерным упрощением, поскольку игнорирует огромное количество возникающих препятствий. Трюки, к которым приходится прибегать, для того чтобы их обойти, делают интерферометр чрезвычайно сложным инструментом. Например, лазерный луч должен быть нацелен точно в нужном направлении, иметь точно нужную форму и частоту, чтобы идеально согласовываться с интерферометром, а его мощность и частота не должны флуктуировать. После того как луч расщепляется на два, эти два луча должны бегать в плечах интерферометра не просто туда и обратно, как на рис. 10.6, а многократно, чтобы увеличить чувствительность к движениям масс, а после этих многократных отражений они должны точно встретиться опять на делителе. За каждой массой надо постоянно следить, чтобы ее зеркала были все время направлены в нужном направлении и не отклонялись из-за колебаний пола, и это нужно делать так, чтобы не замаскировать действие гравитационных волн. Чтобы достичь идеальной работы этих и многих-многих других составляющих, требуется постоянное одновременное слежение за многими разными частями интерферометра и его лазерными лучами и постоянное приложение сил обратной связи, поддерживающих идеальный режим.

Некоторое представление о сложности интерферометра можно получить по фотографии (рис. 10.7) 40-метрового прототипа интерферометрического детектора, который построили в Калтехе Дривер и его команда — прототипа, который сам по себе гораздо проще, чем полномасштабный многокилометровый интерферометр, требуемый для достижения успеха.

* * *

В начале 1980-х четыре команды физиков-экспериментаторов трудились над разработкой инструментария и техники интерферометрических детекторов: команда Дривера в Калтехе, команда, которую он основал в Глазго (теперь руководимая Джимом Хафом), команда Райнера Вайса в MIT и команда, основанная Гансом Биллингом в Институте Макса Планка под Мюнхеном, в Германии. Это были маленькие и сплоченные команды, работающие более или менее независимо[109], исповедующие свои собственные подходы к конструированию интерферометрических детекторов. В каждой команде отдельные ученые имели свободу в разработке и воплощении по собственному усмотрению новых идей, координация была очень незначительна. Это как раз тот тип работы, который нравится таким креативным ученым, как Брагинский, и та культура, в которой счастливее всего чувствуют себя такие одиночки, как я. Но это не та культура, которая требовалась для разработки, создания, отладки и работы таких больших и сложных научных инструментов, какими являются многокилометровые интерферометры, требующиеся для успеха.