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

10.7. 40-метровый прототип интерферометрического гравитационно-волнового детектора, построенный в Калтехе (около 1989 г.). Стол впереди и передняя, заключенная в сетку вакуумная камера содержат лазеры и компоненты для подготовки лазерного луча к попаданию в интерферометр. Центральная масса также располагается во второй, закрытой сеткой вакуумной камере, над которой можно заметить свешивающуюся веревку от блока. Крайние массы находятся на удалении 40 метров в конце двух коридоров. Два луча плечей интерферометра проходят внутри толстых труб, которые тянутся на всю длину коридоров. [Предоставлено проектом LIGO, Калифорнийский технологический институт]

Для детальной разработки многих сложных частей такого интерферометра, для того чтобы соединить их все и добиться правильной совместной работы, чтобы держать под контролем затраты проекта и добиться его завершения в разумные сроки, нужна была совсем другая культура — культура плотной координации работы подгрупп в рамках каждой команды, с фокусированием каждой команды на четко определенных задачах, с единым руководителем, принимающим решения о том, что и кому нужно делать в первую очередь.

Путь от независимости и свободы к тесной координации является болезненным. Таким путем, сопровождаемым в процессе мучительными стонами, движется биологическое сообщество, расшифровывающее геном. И мы, гравитационно-волновые физики, следуем по этому пути с не меньшей болью и страданиями с 1984 г. Я, однако, уверен, что волнения, радость и научная отдача от детектирования гравитационных волн и дешифровки их симфоний когда-нибудь сотрут из нашей памяти все пережитые страдания и боль.

Первым резким поворотом на нашем болезненном пути был вынужденный союз почти под дулом пистолета команд Калтеха и MIT, каждая из которых состояла к тому времени примерно из 8 человек. Держал пистолет и требовал Ричард Айзексон из Национального научного фонда (NSF) США. Брак, в котором Калтех и MIT должны были вместе разрабатывать интерферометр, был платой за финансовую поддержку на деньги налогоплательщиков. Дривер (бешено сопротивлявшийся) и Вайс (с готовностью принявший неизбежность) принесли свои клятвы, а я стал советником этого союза, человеком, чьи обязанности заключались в том, чтобы искать компромисс, когда Дривер тянул в одном направлении, а Вайс — в другом. Это был тернистый союз, эмоционально истощающий всех, но постепенно мы стали работать вместе.

Второй резкий поворот произошел в ноябре 1986 г. Комитет, состоящий из выдающихся физиков-специалистов в тех областях технологии, которые нами использовались, и экспертов по организации и менеджменту больших научных проектов, скрупулезно изучил наши достижения и планы и доложил о них NSF. Наш прогресс был высоко оценен, высокой оценки заслужили также наши планы и перспективы на успех в детектировании и расшифровке гравитационных волн. Однако наша культура работы была признана ужасной, мы все еще были тесно привязаны к свободолюбивой культуре, в которой родились, а таким образом мы никогда не смогли бы добиться успеха — такое решение было доложено NSF. Тройка Дривер — Вайс — Торн должна была быть по решению комитета заменена единственным директором, который бы спаял талантливых индивидуалов в сплоченную и эффективную команду и мог бы организовать проект, принимая твердые и мудрые решения на каждой крупной развилке.

Опять появилось дуло пистолета. Если вы хотите, чтобы проект продолжался, сообщил нам Айзексон из NSF, вы должны найти такого директора и учиться работать с ним так же, как футбольная команда работает с великим тренером или как оркестр с великим дирижером.

Нам повезло. В середине нашего поиска был уволен Робби Вогт.

Часть ученых из команд Калтех/МГТ, работавших над проектом LIGO в конце 1991 года. Слева: некоторые члены команды Калтеха, против часовой стрелки, начиная с правого верхнего угла: Аарон Гиллеспи, Фред Рааб, Мэгги Тейлор, Сейджи Кавамура, Робби Вогт, Рональд Дривер, Лайза Сивере, Алекс Абрамовичи, Боб Спиро, Майк Цукер. Справа: некоторые из членов команды М1Т, против часовой стрелки, начиная с верхнего правого угла: Джой Ковалик, Ярон Хефец, Нергиз Малвала, Райнер Вайс, Дэвид Шумейкер, Джой Джиайми. [Слева: предоставлено Кеном Роджерсом/Black Star; справа: предоставлено Эриком Л. Симмонсом]

Вогт — блестящий физик-экспериментатор, обладающий волевым характером. Он возглавлял проекты создания и управления научными приборами космических аппаратов, руководил созданием гигантского астрономического интерферометра миллиметрового диапазона и реорганизовал структуру научных исследований в Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA, которая поддерживает большую часть исследовательских межпланетных космических программ США, а после этого стал проректором Калтеха. На этом посту Вогт, хотя и был чрезвычайно эффективен, постоянно сталкивался с президентом Калтеха Марвином Голдбергером в ожесточенных схватках по вопросам управления Калтеха. После нескольких лет битв Голдбергер его уволил. Вогт не мог по своему темпераменту работать под теми, с суждениями которых был в корне не согласен, но, будучи сверху, он был великолепен. Он был тем самым директором, дирижером и тренером, который нам был нужен. Если кто-то и мог спаять нас в сплоченную команду, то это был именно он.

«Вам будет тяжело работать с Робби, — сказал нам бывший член его команды, работавшей над интерферометром миллиметрового диапазона, — будут и раны, и обиды, но оно того стоит. Ваш проект будет ждать удача».

В течение нескольких месяцев Дривер, Вайс и я упрашивали Вогта стать директором. Наконец, он согласился, и, как и обещалось, шестью годами позже наша объединенная команда Калтеха и Массачусетса, набившая синяки и шишки, но эффективная, мощная и сплоченная, быстро растет, подходя к критической численности (около 50 ученых и инженеров), требуемой для успеха проекта. Однако успех проекта зависит не только от нас. Согласно плану Вогта важный вклад в наши центральные усилия будет сделан и другими учеными[110], которые, хотя и будут оставаться в слабой связи с нашей группой, смогут сохранить индивидуальный свободный стиль, от которого мы были вынуждены отказаться.

* * *

Ключом к успеху наших усилий будет создание и работа национально научного комплекса, названного Лазерная Интерферометрическая Гравитационно-волновая Обсерватория, или LIGO (Laser Interferometer Gravitational- Wave Observatory). LIGO будет состоять из двух L-образных вакуумных систем, одна вблизи Хэнфорда, штат Вашингтон, а другая около Ливингстона в Луизиане, где физики будут создавать и использовать многие последовательные поколения постоянно улучшающихся интерферометров (см. рис. 10.8) [111].

Почему два объекта, а не один? Потому что лежащие на поверхности земли гравитационно-волновые детекторы всегда подвержены влиянию трудно учитываемых шумов, которые могут симулировать гравитационно-волновые всплески, например, струна, на которой подвешена масса, может по неизвестной причине немного скрипнуть, качнув массу и симулировать, тем самым, приливную силу волны. Однако такой шум почти никогда не может случиться одновременно в двух независимых, далеко разнесенных детекторах. Поэтому, чтобы быть уверенными, что наблюдаемый сигнал вызван гравитационными волнами, а не шумом, следует убедиться, что он появился одновременно в обоих детекторах.

При наличии только одного детектора обнаружение и слежение за гравитационными волнами невозможно.

Хотя для детектирования гравитационной волны достаточно двух детекторов, для полного декодирования симфонии волн, т. е. извлечения всей содержащейся в ней информации, желательно иметь три, а лучше четыре таких сооружения, как можно дальше разнесенных друг от друга. Совместная франко-итальянская команда построит третью антенну, названную VIRGO[112] около Пизы в Италии. VIRGO и LIGO вместе образуют международную сеть для извлечения полной информации из сигнала. Команды из Англии, Германии, Японии и Австралии изыскивают средства для создания дополнительных антенн, подключенных к этой сети.

10.8. Художественная концепция L-образной вакуумной системы и экспериментального корпуса в углу буквы «L» антенны LIGO около Хэнфорда. [Предоставлено проектом LIGO, Калифорнийский технологический институт]

Строительство такой амбициозной сети сооружений для обнаружения волн, которых никто и никогда не видел, может показаться слишком смелым. На самом деле, это не так смело, поскольку существование гравитационных волн уже было доказано в результате астрономических наблюдений, за что Джозеф Тейлор и Рассел Халс из Принстонского университета получили в 1993 г. Нобелевскую премию. Тейлор и Халс обнаружили с помощью радиотелескопа две нейтронные звезды, одна из которых является пульсаром, обращающиеся вокруг друг друга с периодом 8 часов, и с помощью исключительно тщательных радиоизмерений убедились, что звезды сближаются по спирали в точности с той скоростью (на 2,7 миллиардных частей в год), которую предсказывают законы Эйнштейна, учитывающие эффект отдачи излучаемых во Вселенную гравитационных волн. Кроме слабых толчков гравитационных волн ничто иное объяснить наблюдаемое спиральное сближение этих нейтронных звезд не может.