Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

Здесь ранним утром в понедельник, 14 сентября 2015 г., – если быть точным, в 04:50:45 по летнему времени центральных штатов (Ливингстон) или в 02:50:45 по тихоокеанскому летнему времени (Хэнфорд) – писалась история науки. Через столетие после того, как Альберт Эйнштейн завершил работу над общей теорией относительности, обсерватории-близнецы LIGO осуществили первую прямую регистрацию проходящей гравитационной волны. В течение примерно 1/5 секунды чувствительные детекторы измеряли слабые возмущения пространственно-временного континуума в 10 000 раз меньше диаметра протона – ядра атома водорода. Долгие десятилетия поисков наконец увенчались успехом.

_________

Мы еще вернемся к разговору о GW150914, а в главе 8 я подробнее расскажу о непростой судьбе LIGO. Но сначала познакомимся с техническим решением. Это потрясающе! Одна десятитысячная размера атомного ядра – как можно измерить настолько слабый эффект? И откуда уверенность, что регистрируются действительно волны Эйнштейна, а не что-нибудь более ординарное?

Давайте начнем с основ. Что именно мы пытаемся измерить? Колебания пространственно-временного континуума. Я рассказывал об этом понятии в главе 4 – не стесняйтесь перечитать соответствующие абзацы, если вам нужно освежить память. Напомню самую суть. Нарисуйте на земле большой квадрат. Гравитационная волна, приходящая перпендикулярно из точки прямо над вашей головой (зенита), слегка деформирует квадрат. Сначала он увеличивается в направлении север – юг и уменьшается в направлении восток – запад. Затем сжимается по оси север – юг и растягивается на восток и запад. Квадрат дрожит. Насколько быстро? Это зависит от частоты волны. Насколько сильны деформации? Это зависит от амплитуды волны.

Таким образом, от нас требуется точно фиксировать размеры квадрата, желательно одновременно в двух направлениях. Разумеется, незачем измерять все четыре стороны. Достаточно следить за двумя перпендикулярными сторонами, сходящимися в одном из четырех углов. Возникает L-образная структура. Этим и продиктована форма LIGO.

Что, если гравитационная волна приходит не строго сверху? Два плеча L-образной структуры и в этом случае будут растягиваться и сжиматься, но в меньшей степени, в зависимости от угла падения. Однако LIGO действительно гораздо чувствительнее к волнам Эйнштейна, идущим из зенита, точно сверху – или точно снизу (помните, Тони Тайсону пришлось напомнить Джо Веберу, что Земля прозрачна для гравитационных волн).

Если вы хотите измерить меняющиеся длины двух плеч L, никакая линейка вам не поможет. Дело в том, что растягивается и сжимается сам пространственно-временной континуум, следовательно, все, что находится в нем, будет растягиваться и сжиматься вместе с ним. Если деформируется одно плечо L, то приложенная к нему линейка деформируется точно так же. Поэтому ученые оценивают изменение длины по изменению интервала времени, необходимого свету для того, чтобы дойти от одного края плеча до другого.

Одно из основных предположений ОТО – постоянство скорости света. Не важно, что происходит с пространственно-временным континуумом, свет всегда движется с одной и той же скоростью – 300 000 км/с. Таким образом, если пространственно-временной континуум растягивается в определенном направлении – если между двумя точками становится чуть больше пространства, свету понадобится на ничтожную долю секунды больше времени, чтобы попасть из точки А в точку В. Значит, вместо линейки нужно использовать часы.

Физики и астрономы в совершенстве владеют точным измерением времени. Хороший пример приводился в главе 6. Время прихода импульсов двойного пульсара измерялось с точностью выше одной миллионной секунды. Этого достаточно, чтобы вычислить массы и орбитальные параметры звезд системы. Как мы видели, это позволяет даже зарегистрировать гравитационные волны, хотя и косвенно.

Однако, если посылать световые импульсы из одного конца плеча и измерять время их прихода в другой конец, мы получим недостаточно точные для наших целей результаты. Допустим, мы могли бы измерить время прихода импульса с точностью до одной миллионной секунды (0,1 мкс). Это позволило бы регистрировать изменения расстояния около 30 м (одна десятимиллионная от 300 000 км). Но волны Эйнштейна, приходящие к Земле, не могут иметь настолько большую амплитуду (наши тела не выдержали бы существенного растяжения и сжатия пространственно-временного континуума.) Поэтому световые импульсы нам не помогут.

Если точность в доли микросекунды недостаточна для регистрации гравитационных волн на Земле, как Джо Тейлор и Джоэл Вайсберг сумели доказать их существование путем измерения времени прихода импульсов? Очевидно, потому, что могли годами дожидаться проявления эффекта снижения орбиты пульсара. В случае LIGO этот подход неприменим. Волны нужно зарегистрировать в тот самый момент, когда они проходят через детектор. Единственный выход – резко повысить чувствительность аппаратуры. Нужно научиться измерять изменения времени прохода света с точностью порядка миллиардных долей от миллиардной доли секунды. Настолько точных часов не существует.

Решением является интерферометрический метод. От его названия происходит буква «I» в аббревиатуре LIGO. Явление интерференции можно наблюдать на поверхности пруда. Если бросить в воду камень, возникают волны в виде концентрических кругов. Бросьте второй камень в нескольких метрах от первого, и от него также станут расходиться волны. Две группы волн пересекаются друг с другом. В определенных точках, куда гребни двух волн прибывают одновременно, те объединяются в более высокую волну. В других точках, где гребни волн одной группы встречаются с ложбинами другой, волны нейтрализуют друг друга. Возникает картина интерференционных полос – чередование вдвое более высоких и подавленных водяных волн.

Свет ведет себя так же. Два источника света, находящиеся в фазе, гребни и ложбины волн которых совпадают, взаимно усиливаются. Иными словами, амплитуда удваивается (энергия возрастает). Это так называемая усиливающая интерференция. Если же волны света находятся в противофазе, то есть гребни одной волны приходятся на ложбины другой, то они уничтожают друг друга. Это ослабляющая интерференция.

Предположим, у нас имеются два луча оранжевого света с длиной волны 600 нм (0,6 мкм). Они испускаются в одной фазе, но в разных направлениях. Пройдя некоторый путь, оба луча отражаются от зеркала обратно в точку, откуда пришли. Если два зеркала расположены строго на одинаковом расстоянии от источника света, волны на момент встречи по-прежнему будут в фазе. Вследствие этого общий свет будет ярче каждого отдельного луча.

Теперь допустим, что путь до одного из зеркал совсем немного удлинился – время прохождения светом пути увеличилось на одну фемтосекунду. Фемтосекунда – это одна миллионная миллиардной (10–15) доли секунды. За одну фемтосекунду свет проходит расстояние 300 нм. Тогда по возвращении к источнику одна световая волна будет отставать от другой на половину своей длины. Гребни и ложбины двух световых волн перестанут совпадать. Они окажутся не в фазе (в данном случае в противофазе, когда гребни одной волны точно совпадают с ложбинами другой). В результате волны нейтрализуют друг друга.