В погоне за искривлениями пространства

Александр Механик
обозреватель журнала «Эксперт»
22 февраля 2016, 00:00

Директор Института прикладной физики член-корреспондент РАН Александр Сергеев рассказывает о том, как обнаружили гравитационную волну, в чем состоит вклад российских ученых и какие проблемы им приходится решать

12 февраля, после почти пяти месяцев молчания, ученые обсерватории Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) в США объявили, что еще в сентябре они обнаружили гравитационные волны. В работе этой лаборатории принимали участие две научные группы из России: группа профессора Валерия Митрофанова (кафедра физики колебаний физического факультета МГУ) и группа члена-корреспондента РАН Александра Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород).

Директор Института прикладной физики РАН, член-корреспондент РАН Александр Сергеев zzzzzzzzzzzzzzzzzzz2.jpg
Директор Института прикладной физики РАН, член-корреспондент РАН Александр Сергеев

Мы обратились к Александру Михайловичу Сергееву с просьбой рассказать о сути эксперимента и о работе российских физиков. 

— Теоретически наличие гравитационных волн было предсказано Эйнштейном в Общей теории относительности более ста лет назад. За это время теоретики предсказали и то, какие астрофизические источники и каким образом излучают эти волны. А в известной статье 1962 года советских ученых Владислава Пустовойта и Михаила Герценштейна впервые теоретически была предложена идея обнаружения гравитационных волн с помощью волн электромагнитных, используя интерферометр Майкельсона. Это в итоге и было реализовано с помощью лазерного излучения.

В связи с этим вспоминаю, что как-то на конференции в Штатах, уже в наше время, я услышал от американского физика такой пассаж: «В Америке бытует мнение, что все, чем мы тут занимаемся сейчас, предложили советские ученые еще в семидесятые-восьмидесятые годы. Это неверно. Некоторые идеи они предложили еще в шестидесятые». Это оказалось удивительно правильным в отношении детектирования гравитационных волн.

Идея эксперимента, предложенного Пустовойтом и Герценштейном и реализованного в обсерватории LIGO, достаточна проста. Дело в том, что гравитационная волна, проходя в пространстве, производит изменение его метрики. Если представить, что у нашего пространства есть каркас в виде сетки Рабица, то под воздействием волны «сетка» пространства в одном направлении сожмется, а в другом растянется, а вместе с ней и все предметы в этом пространстве. Это произойдет и с плечами интерферометра Майкельсона. Задача исследователей состоит в том, чтобы суметь зафиксировать эти изменения. А интерферометрия позволяет это сделать (см. схемы 1 и2 — «Эксперт»).

Конечно, в 1962 году никто не мог предположить, что в обозримом будущем что-то подобное будет сделано экспериментально. В 1962 году и лазеры-то только начинались, поэтому предположить, что для этих целей будет использовано мощное лазерное излучение, тогда было невозможно. Но за три десятилетия, к девяностым годам, лазерные и оптические технологии сильно продвинулись вперед, и в 1992 году это позволило американцам начать создание LIGO. LIGO — это, конечно, успех всех физиков, но прежде всего физиков-оптиков и лазерщиков.

Оптические технологии — это не только лазеры, но и различные оптические устройства, которых в LIGO очень много, это и оптические материалы с уникальными свойствами, и их обработка с высочайшей точностью. Например, такой важнейший параметр, как точность формы оптических зеркал, в LIGO находится в пределах размеров атомного слоя. Более того, современные технологии позволяют устранять дефекты поверхности зеркал размером в величину атома, устанавливая на место дефекта недостающие атомы.

Американцы действительно рискнули, потому что трудно было предположить, что в ближайшие два-три десятилетия можно будет достигнуть такой чувствительности измерений, которая позволит зафиксировать гравитационные волны.

Открытию этого проекта косвенно способствовало закрытие в США собственного проекта адронного суперколлайдера в 1993 году. Он оказался слишком дорогим даже для Штатов. Но сообщество физиков высоких энергий в США и во всем мире — это очень сильное комьюнити, имеющее огромный потенциал лоббирования. Их проекты, всегда требующие очень больших расходов, без этого просто не могли бы реализовываться. Казалось бы, где физика высоких энергий и где детектирование гравитационных волн? Но строительство такой установки, как LIGO, — это большие тоннели, это огромные объемы вакуума, которые надо поддерживать, это гигантские требования по чистоте и по точности измерений — это как раз все то, чем занимаются физики в области высоких энергий. В результате команда, которая ушла с суперколлайдера, была рекрутирована в программу LIGO. И National Science Foundation дал старт строительству этого проекта.

— А когда и как ваш институт присоединился к этому проекту?

— Дело в том, что, как я сказал, в проект вошли представители физики высоких энергий, которые знали, как построить тоннели, обеспечить необходимый вакуум и так далее. Там были теоретики-астрофизики, которые говорили, чего надо ждать от сигналов, приходящих из Вселенной. Но это была крупная лазерная установка, и американцам нужны были опытные лазерщики и оптики. И они обратились в том числе к нам с предложением войти в коллаборацию. Это было в 1996 году. Первый разговор об этом был с одним из наших советских ученых Геннадием Мицельмахером (его у нас иногда называют последним учеником Понтекорво), который в начале девяностых уехал за границу и тоже был занят на коллайдере. Он, собственно, и предложил привлечь оптические лазерные группы из России и познакомил меня с первым директором LIGO профессором Барри Баришем, известнейшим американским ученым. И мы вошли в этот проект. Более того, во Флоридском университете, который активно занимался LIGO вместе с лидерами проекта MIT и Caltech, была создана специальная профессорская позиция, на которую взяли Дэвида Рейтце, чтобы обеспечить коллаборацию с нашим институтом. Может быть, они бы предпочли взять кого-то из нашего института, но мы были к нему привязаны и никто не собирался уезжать. А Дэвид Рейтце вырос с тех пор до исполнительного директора LIGO, и именно он выступил от имени LIGO с заявлением об обнаружении гравитационных волн на пресс-конференции 11 февраля.

— Как работает установка LIGO?

— Что такое интерферометр? Это фактически два лазерных дальномера, между которыми происходит сравнение результатов измерений. До воздействия гравитационной волны их показания равны. Когда под воздействием гравитационной волны одно плечо эффективно удлиняется, а другое укорачивается (это и есть упомянутое ранее изменение метрики пространства), интерферометр позволяет засечь эту разницу. Причем наша задача — мерить много точнее размера протона, а это 10 в минус 15-й метра! Ясно, что обычным лазерным дальномером тут не измеришь. Чтобы резко повысить чувствительность, и используется лазерная интерферометрия, способная уловить разность путей света в двух плечах с точностью до малой доли длины волны света (она составляет около одного микрометра). А чтобы состыковать эти две величины - 10 в минус 15-й метра и доли микрона - в интерферометре LIGO используются резонаторы с очень высокой добротностью (см. схемы 1 и2 — «Эксперт»). Чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии за каждый период прохождения лучом внутри резонатора и тем медленнее затухают колебания. Излучение лазера, попадая в такой резонатор, многократно пробегает внутри него. И каждый раз, пробегая, оно «измеряет» отклонение зеркала и многократно «суммирует» результаты. Таким образом, эта сумасшедше маленькая величина сдвига зеркал от гравитационной волны умножается на тысячи пробегов и существенно облегчает обнаружение интерференционного сигнала

Кроме увеличения чувствительности приема интерферометр с очень маленькими потерями позволяет накопить достаточно большую мощность излучения, на много порядков больше, чем собственно мощность лазера. Это позволяет существенно увеличить соотношение сигнал/шум в системе. Шумы, с которыми приходится бороться в этой системе, имеют разную природу. Вокруг интерферометра постоянно присутствуют различные низкочастотные колебания сейсмического и промышленного происхождения. От них защищаются тем, что тестовые зеркала помещают в специальную систему аттенюаторов, которые демпфируют внешние воздействия. Со стороны высоких частот доминируют дробовые шумы, вызванные квантовыми свойствами света. И этот дробовой шум относительно тем меньше, чем больше мощность излучения.

— Но ведь зеркало не просто отклоняется, оно колеблется вместе с гравитационной волной. Почему не меняются результаты измерений с каждым проходом луча?

— Дело в том, что диапазон частот гравитационных волн, удобный для детектирования, где-то от десяти герц до нескольких килогерц. Природой оказалось так устроено, что это как раз диапазон восприятия человеческого уха. Если преобразовать сигнал интерферометра в звуковой сигнал, то буквально можно слушать звуки Вселенной. Десять герц — килогерц — это очень медленные колебания по сравнению с частотой распространения света в резонаторе. Поэтому луч успевает много раз считать информацию о том, на сколько зеркало сдвинулось, пока оно заметно для луча изменит свое положение.

— Поиск гравитационной волны ведется в режиме постоянного ожидания?

— Да. Ведь никакой информации, когда и что может произойти в далеком космосе, нет. Это потом вроде бы обнаружили какие-то корреляции с рентгеновскими вспышками, но то ли оттуда, то ли не оттуда — это тоже трудно понять, потому что обнаруженный сигнал довольно короткий, он длится несколько миллисекунд.

Но если вы знаете, какими характерными чертами обладает ваш сигнал, вы можете выделить его из шума. Есть типичные черты в различных астрофизических явлениях, теоретики их предсказали и обосновали, и можно искать именно такие.

— То есть вид сигнала был предсказан?

— Есть много возможных видов сигналов, но вы можете анализировать полученную временную последовательность, скажем, с фильтрами, которые соответствуют тем или иным признакам. Так вот тот сигнал, который был получен, имеет очень характерную форму, которую можно ожидать от гравитационной волны, возникшей при слиянии двух вращающихся и сливающихся звезд или черных дыр. Когда в процессе вращения они приближаются друг к другу и сливаются в один объект, то приходит характерный сигнал, связанный с тем, что частота их вращения все время увеличивается, сигнал возрастает по амплитуде, а потом они сливаются, и все резко обрывается. То есть сигнал с нарастающей частотой и амплитудой в течение максимум десятков миллисекунд характерен для данного астрофизического явления. Если вы увидели такой сигнал, то у вас сразу должно возникнуть подозрение, что, может быть, это то, что вы искали. Четыре месяца участники проекта не сообщали о детектировании сигнала из космоса. Со всех нас взяли подписку о нераспространении информации. И были колебания, надо ли вообще публиковать результаты. Потому что хотелось еще какой-то сигнал получить. Но его можно ждать долго и не дождаться. В результате решили послать статью на публикацию в журнал с известной научной репутацией, о котором можно быть уверенным, что ничего до публикации в прессу не просочится. Получили подтверждение, что готовы печатать. Договорились, что в один день выходит статья и организуется пресс-конференция. Статья отрецензирована, то есть соблюдены все требования к публикациям. Но, конечно, остаются сомнения. Когда объявляли о бозоне Хиггса, было честно сказано, что «вероятность того, что мы видим, вот такая». И тут тоже в статье написано: «Вероятность того, что этот сигнал пришел оттуда, вот такая». Ничего больше сказать нельзя. А дальше решайте, так сказать, сами. Коллаборация LIGO считает, что детектирован именно тот сигнал, который пришел из космоса. Некоторые газеты, в частности «Нью-Йорк таймс», выразили сомнение, можно ли по одному сигналу судить об обнаружении. Сейчас ведется обработка данных по другим «подозрительным» сигналам, относительно которых можно предположить, что они тоже получены от гравитационных явлений.

— То есть кроме показанного сигнала могут быть еще?

— Да. Но сейчас говорить, что есть что-то еще, пока рано.

— А в чем заключался вклад вашего института в работу LIGO?

— Дело в том, что для обеспечения стабильной работы лазера, который накачивает интерферометр, в него не должно попадать отраженное излучение назад из интерферометра. Необходим элемент, который работает как идеальный вентиль: он в одну сторону пропускает все, в другую сторону не пропускает абсолютно ничего. Такой оптический элемент называется изолятором Фарадея. Изолятор Фарадея — это один из важнейших элементов в оптике, особенно когда используются мощные лазеры, которыми как раз и занимается наш институт. Наш институт давно был известен тем, что он делает самые хорошие изоляторы Фарадея, для самых высоких мощностей. Поэтому первая задача, которая была перед нами поставлена и, собственно, с предложением решить которую мы и сами приехали, — разработать изолятор Фарадея с такой чувствительностью, которая требуется в интерферометре LIGO. Таких изоляторов тогда не было, на его разработку мы потратили много времени и средств, в том числе два трехлетних гранта от National Science Foundation. Была придумана новая схема изолятора. Эти работы вела команда члена-корреспондента РАН Ефима Хазанова, заместителя директора нашего института.

Изоляторы Фарадея основаны на эффекте  вращения плоскости поляризации в оптической среде, помещенной в магнитное поле. Особенность эффекта заключается в том, что направление вращения определяется только направлением магнитного поля. В простейшей архитектуре это означает, что если такой элемент вращает плоскость поляризации падающего света на сорок пять градусов, то отраженная волна, будучи «довернута» еще на сорок пять градусов, станет поляризованной перпендикулярно начальной волне. Поставив на ее пути поляризатор, можно отраженную волну полностью уничтожить. Конечно, это упрощенное описание. Разработанные нами изоляторы Фарадея для детекторов гравитационных волн сейчас используются во всех измерителях гравитационных волн — и в американских, и в европейских.

Но это не все. Оптические элементы интерферометра под воздействием мощного лазерного излучения, естественно, подвергаются старению. Это может приводить к искажениям их поверхности. Кроме того, хотя там очень высокий вакуум, даже то небольшое количество оставшихся молекул, скажем органического вещества или пылинок, попадая на поверхность оптических элементов, под воздействием излучения может привариваться к ним. Постепенно поверхность покрывается такими дефектами. Встает вопрос, во-первых, как детектировать старение поверхностей или изменение их свойств дистанционно. Потому что разгерметизировать систему в процессе ее многомесячной вахты ни в коем случае нельзя. И во-вторых, можно ли каким-то образом дистанционно почистить эти элементы? И мы разработали прибор для дистанционного контроля качества поверхности. Прибор привозили на LIGO, проводили различные измерения, разработали методики, диагностирования элементов LIGO на наличие пылинок и методы «сдувания» этих пылинок. А сдувать их можно, тоже очень аккуратно, лазерным лучом. Очень короткими лазерными импульсами подействовать на пылинку так, чтобы она отвалилась. Этот класс задач мы исследовали совместно с американцами. И получили результаты, которые были учтены в LIGO. И наконец, наша молодежь участвовала в монтаже установки, ездила туда на дежурства. И в Ханфорд, и в Ливингстоун.

Сотрудники ИПФ РАН монтируют изолятор Фарадея в одной из лабораторий LIGO zzzzzzzzzzzzzzzzzzz3.jpg
Сотрудники ИПФ РАН монтируют изолятор Фарадея в одной из лабораторий LIGO

— А какие задачи решали другие специалисты из России?

— Членами LIGO Scientific Collaboration являются две группы из России — наша группа и группа Московского государственного университета под руководством Владимира Борисовича Брагинского. Он сейчас несколько отошел от этих вопросов по возрасту. Теперь там эти работы ведет профессор Валерий Павлович Митрофанов. Вклад коллег из МГУ прежде всего основан на том, что они одни из лучших в мире специалистов по исследованию различных шумов. В интерферометре LIGO мы с вами говорили про два типа шумов. Дробовой шум — и шум сейсмический и промышленный. Но и в зеркалах, которые называют тестовыми массами, представляющих собой большие цилиндры из кварца с отражающей поверхностью, при любой ненулевой температуре тоже есть шумы. Скажем, акустические. И нужно понять, из какого материала сделать эти тестовые массы, чтобы они шумели минимальным образом.

И подвески, на которых висят зеркала, тоже шумят. Исследование всех этих шумов — это большая кухня, на которой команда из МГУ является очень высокопрофессиональной. Их вклад, например, был в том, что они добились, чтобы тестовые массы делали из кварца, а не, скажем, из сапфира, хотя такой подход тоже обсуждался.

Надо обязательно отметить еще одну группу — из Астрономического института имени Штернберга, тоже в МГУ, под руководством Валентина Николаевича Руденко. Он не участвовал в LIGO, но всячески продвигал идею, что в России тоже нужно строить гравитационную антенну. Предполагалось построить тоннель в Баксане. И, наверное, я бы еще отметил вклад Института лазерной физики Сибирского отделения РАН. Это институт Сергея Николаевича Багаева. Они с LIGO не сотрудничают, но очень тесно дружат с европейской обсерваторией VIRGO в Италии. Там используется аналогичная трехкилометровая система, которая работает немного в другом частотном диапазоне.

— Чего вы ждете от этого открытия?

— Вполне вероятно, что за этим окошком, которое сейчас только чуть приоткрылось, для нас откроется новая реальность. Во Вселенной много загадок — и темная материя, и темная энергия, и всякие вопросы взаимодействия с другими возможными галактиками, в которых время, возможно, бежит в другую сторону, и антиматерия. Огромное количество вопросов. Созданный детектор чувствителен к изменениям в положении больших масс, к событиям катастрофического характера. Он может оказаться детектором совсем новых явлений, о которых мы даже в теории ничего не знаем. Чуть-чуть приоткрывшееся окошко в новый мир, который мы сможем увидеть.

Успех LIGO шлет нам еще один важный «месседж». Фундаментальные знания становятся все более глубокими, далекими, идти до них все труднее. И скоро, по-видимому, фабриками фундаментального знания останутся только крупные исследовательские инфраструктуры. Эти инструменты настолько дорогостоящие, что одна страна зачастую не может их построить. Ни один университет, ни один институт в отдельности не мог позволить себе построить LIGO. Даже американцы привели туда больше пятнадцати стран. Но если этот инструмент запущен, вы получаете возможность получить совершенно новый срез знаний о природе. Такие установки становятся фабриками знаний. И никто другой к этому знанию подойти не может, потому что инструмент для его извлечения есть только в одном месте в мире.

— А какие выводы должны сделать российские ученые и организаторы науки?

— России обязательно нужно иметь такие большие проекты, собственные новые фабрики знаний. И начинать их надо уже сегодня. LIGO строили больше двадцати лет. Да, сейчас у нас определенные экономические проблемы, но речь идет о временных интервалах настолько больших, что к тому времени, когда проект будет в разгаре, нефть может опять двести долларов стоить. России в ее научной политике обязательно нужно сформулировать, в чем мы являемся лидерами, и представить миру наши компетенции. Вы признаете эту компетенцию? Будете нам помогать? Тогда мы готовы это строить. Надо определить те места, где мы можем обоснованно заявить, что мы главные. И пусть этих установок будет немного, но их надо начинать строить. Конечно, это будут дорогие установки. Строительство обсерваторий LIGO стоило больше 600 миллионов долларов. Но это не трата одного года.

— В России ведь уже было принято решение о шести научных мегапроектах.

— Действительно, пять лет назад правительственная комиссия под руководством Владимира Путина, когда он был премьер-министром, приняла решение о реализации в стране шести научных мегапроектов. Но только Курчатовский институт получил пока деньги, и построил в Гатчине исследовательский реактор ПИК для источника нейтронов. Это хорошо, хотя, прямо надо сказать, проект старый, идущий с семидесятых годов. Есть еще проект НИКА в Дубне. Это ускоритель тяжелых ионов. Дубна — международный центр, интегрированный во всю мировую ядерную науку и имеющий частичную финансовую подпитку извне. Поэтому здесь процесс строительства пошел. Но что касается других проектов, пока ситуация неважная.

Мы предложили проект, который тоже был одобрен комиссией, — проект лазерной установки с очень большой пиковой мощностью. С помощью этого российского лазера можно было бы моделировать в лаборатории в том числе те явления, которые мы пытаемся детектировать посредствам гравитационных волн из космоса. Потому что мощность излучения этого лазера такова, что позволяет создавать экстремальные состояния вещества, достижимые только в недрах звезд и планет, а также исследовать свойства физического вакуума, возникновение материи и антиматерии. И этот проект мог бы стать следующим после LIGO мировым проектом лазерной инфраструктуры, но российским.

Владимир Евгеньевич Фортов на президентском совете два года назад специально представляет проект этой лазерной инфраструктуры. Владимир Владимирович Путин визирует обращение. Нет сомнения, что для науки это нужно. Но проблема в том, что из-за во многом непродуманной реорганизации Академии наук оказалось, что центр научных компетенций и центр управления фундаментальной наукой сейчас разнесены. И дальше это обращение с визой президента поступает на рассмотрение ФАНО. ФАНО говорит: мы готовы этот проект поддерживать, но у нас нет статьи расхода на развитие исследовательских инфраструктур. В таких условиях совершенно непонятно, как развивать исследовательские инфраструктуры в академических институтах.

Второй «месседж» из LIGO заставляет подумать об обсуждаемом сейчас переходе на проектное финансирование академических организаций. Есть бюджет академических учреждений. Бюджет ничтожный. На уровне миллиарда долларов на все институты в стране в год. Эти деньги пока предназначены как раз не для проектного финансирования. Это деньги на то, что ученые сами для себя выбирают в качестве задач. Теперь есть требование переходить на проектное, или приоритетное, финансирование. А кто будет определять эти приоритеты? Если бы мы пять или десять лет назад пришли в какое-то из наших агентств и сказали: «Дайте нам деньги на измерения гравитационных волн» — они бы у виска покрутили. То, что сделали наша группа и группа из МГУ, — это пример непроектного финансирования. Это работа на те деньги, которые ученым разрешали тратить так, как они считали нужным. Если мы перейдем целиком на проектное финансирование, поисковые, рисковые работы совсем прекратятся. Надо оставить за академическими институтами бюджетное финансирование. Это вообще смешные деньги, но оставьте их за научными институтами.

Проектное финансирование очень важно, но для других целей. Нам надо Арктику развивать? Надо. Робототехникой заниматься? Солнечной энергией? Надо все это делать. Но это должны быть не просто фундаментальные исследования, проекты должны быть ориентированы на получение прикладных результатов. С обязательствами, что ты берешься именно за это и ты выполняешь то, за что взялся. И деньги на такие проекты должны дополнительно выделяться целевым образом.

Бюджетное финансирование по госзаданию, которое нам запланировано в этом году, на 25 процентов меньше, чем два года назад. Конечно, у интенсивно работающих институтов деньги, получаемые из государственного бюджета, — это только часть их полного бюджета. У нас в прошлом году деньги, который мы получали из ФАНО, составляли приблизительно четверть нашего финансирования. В этом году будет еще меньше, примерно 20 процентов. Все остальное мы зарабатываем сами. Но эти заработки идут за счет ОКРов. Это гораздо более дорогостоящие работы, платятся более высокие зарплаты, и в результате происходит утечка мозгов из фундаментальной науки даже в рамках отдельного института. Наш институт — Институт прикладной физики, и мы всегда много занимались прикладными работами. Но на основе того, что мы сами придумали в рамках фундаментальных исследований. Поэтому все наши ОКРы базируются на наших фундаментальных разработках. А сейчас очень опасное для фундаментальной науки время. Если так будет продолжаться, то через десять лет к нам промышленность уже не придет за новыми разработками, потому что незачем будет приходить. Она же сейчас приходит за тем, что мы десять лет назад придумали, занимаясь фундаментальными исследованиями. Если этот поток знаний новых прекратится, она к нам не придет. А к кому она придет — я не знаю, потому что приходить больше некуда. Отраслевая наука в еще более тяжелом положении находится. Поэтому сейчас нам — академическому институту! — приходится не только выполнять ОКРы, а даже выпускать малые партии продукции. И не только потому, что это как-то помогает обеспечивать нам приличный жизненный уровень, а просто потому, что в промышленности это негде сделать.

2010 г. Трое сотрудников ИПФ, работавших по проекту LIGO с (будущим) директо- ром LIGO Дэвидом Рейтце (в шортах), объявившим миру в 2016 г. об обнаружении гравитационных волн zzzzzzzzzzzzzzzzzzz4.jpg
2010 г. Трое сотрудников ИПФ, работавших по проекту LIGO с (будущим) директо- ром LIGO Дэвидом Рейтце (в шортах), объявившим миру в 2016 г. об обнаружении гравитационных волн

— Теперь еще много вокруг разговоров о том, что предстоит резкое сокращение числа научных учреждений. Что оставят только сто пятьдесят успешных.

— А как будут выбраны эти сто пятьдесят и кто решил, что их должно быть именно сто пятьдесят, никто не знает. Еще одной проблемой, к сожалению, опять, как в девяностые, может стать сильный отток кадров за рубеж. Когда мы говорим, что у нас зарплаты в рублях остались прежние, то забываем, что труд научных работников — дело интернациональное. И люди меряют его не по зарплатам здесь, а по тому, сколько его коллеги получают там. И сейчас, когда этот разрыв опять ушел в десятку, как противостоять, когда приходит молодой человек и говорит: «Извините, меня приглашают на зарплату, которая в десять раз больше. Простите, но я поехал». На фоне безусловного успеха, достигнутого в LIGO с нашим участием и участием других российских ученых, которым мы можем гордиться, все эти проблемы нас очень беспокоят.

Что такое LIGO

Вид на одну из обсерваторий LIGO zzzzzzzzzzzzzzzzzzz1podv1.jpg
Вид на одну из обсерваторий LIGO

Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) создана для обнаружения гравитационных волн космического происхождения, предсказанных Общей теорией относительности Эйнштейна. Обсерватория состоит из двух удаленных друг от друга на 3002 км лазерных интерферометров Майкельсона, расположенных на территории США (один в Ханфорде, штат Вашингтон, а другой в Ливингстоне, штат Луизиана). Эти интерферометры действуют как «антенны» для обнаружения гравитационных волн. От обычных интерферометров они отличаются гигантскими размерами и высочайшей чувствительностью.

Схема интерферометра LIGO zzzzzzzzzzzzzzzzzzz1s1.jpg
Схема интерферометра LIGO

В интерферометре Майкельсона (см. схемы 1 и2 — «Эксперт») луч лазера падает на полупрозрачное разделительное зеркало, расположенную под углом 45° к направлению распространения луча. На этом зеркале он разделяется на два луча, распространяющиеся по 4-х километровым туннелям с высоким вакуумом, к резонаторам, составленным из зеркал, соответственно, 1- 2 и 3-4. В резонаторах сигнал, отраженный от зеркал 2 и 4, соответственно, многократно проходит путь от 2 к 1 и от 4 к 3 зеркалам соответственно и тем самым усиливается. После выхода из резонатора 1-2 часть вышедшего луча проходит через разделительное зеркало, а после выхода из резонатора 3-4 часть вышедшего луча отражается от того же зеркала и оба распространяются в направлении детектора, фиксирующем их интерференцию. Перед лазером расположен Изолятор Фарадея, защищающий лазер от воздействия отраженного излучения. В обычном, не возмущенном состоянии интерферометра оба луча проходят одно и то же расстояние от лазера до детектора, так что они гасят друг друга, попадая на него.

Влияние гравитационной волны на плечи интерферометра zzzzzzzzzzzzzzzzzzz1s2.jpg
Влияние гравитационной волны на плечи интерферометра

Когда гравитационные волны проходят через интерферометр, они смещают зеркала, подвешенные на чрезвычайно чувствительных нитях из плавленого кварца (см. схему 4) относительно их номинального положения. При этом одно плечо интерферометра удлинится, а другое укоротится, сместив первый лазерный луч относительно второго по фазе (см. схему 2). Таким образом, интерференционная картина на детекторе изменится.

Сигнал от гравитационной волны zzzzzzzzzzzzzzzzzzz1s3.jpg
Сигнал от гравитационной волны

Приемники, используемые в LIGO, позволяют регистрировать сдвиг зеркал на тысячные доли размера атомного ядра. А два интерферометра в Луизиане и Ханфорде используются для того, чтобы исключить влияние на них случайных воздействий. Если в Луизиане и Ханфорде одновременно зарегистрированы одинаковые сигналы, то можно быть уверенным с большой вероятностью, что они являются результатом воздействия именно гравитационной волны (см. схему 3).

Подвеска зеркала интерферометра zzzzzzzzzzzzzzzzzzz1s4.jpg
Подвеска зеркала интерферометра

Общая теория относительности

Один из основных постулатов Специальной теории относительности (СТО), разработанной Эйнштейном в 1905 году, гласит, что ни энергия, ни сигнал не могут распространяться быстрее скорости света. В то же время в теории тяготения Ньютона подразумевается, что сила притяжения F между двумя телами массой М1 и М2 , определяемая по известной формуле F = GM1 x М2 /r2 , действует мгновенно. А такое утверждение противоречит СТО. Таким образом, Эйнштейн столкнулся с необходимостью согласовать теорию тяготения и теорию относительности. Общая теория относительности (ОТО), основы которой Эйнштейн заложил в 1911 году, это и есть фактически релятивистская теория тяготения. Кроме того, в нерелятивистской механике существует два понятия массы. Первая масса (из второго закона Ньютона) называется инерционной, она равна отношению негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению m = F/a. Вторая масса — гравитационная — определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения (формулу см. выше). Эти две массы измеряются в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть связанными. Однако экспериментально установлено их равенство, что требовало объяснения.

Эйнштейн объяснил этот факт тем, что силы тяготения и силы инерции эквивалентны, что хорошо известно пассажирам ракеты при старте. Им кажется, что сила тяжести внезапно увеличилась. Они чувствуют, что они сами и предметы вокруг резко «потяжелели». И ни один физический эксперимент внутри ракеты не сможет выяснить, то ли увеличилось земное притяжение, то ли ракета приобрела ускорение относительно Земли. Этот результат получил название принципа эквивалентности. С точки зрения классической физики любое тело, если оно ускоряется, находится под действием некоторой силы. В общей теории относительности именно ускорение является общим свойством единого четырехмерного пространствавремени, которое лежит в основе и тяготения тоже.

Из этих положений ОТО следовало, что в четырехмерном пространствевремени тела всегда следуют по геодезическим (то есть кратчайшим) линиям. В отсутствие материи эти прямые линии в четырехмерном пространствевремени соответствуют прямым линиям в трехмерном пространстве.
В присутствии материи четырехмерное пространство-время искажается, вызывая искривление траекторий тел в трехмерном пространстве (подобно тому как в старой ньютоновской теории это происходило под действием гравитационного притяжения). Таким образом, то, что в ньютоновской физике было результатом взаимодействия тел, в ОТО стало результатом взаимодействия тел и пространства-времени.

Когда перемещаются тела или действуют силы, они вызывают искривление пространства и времени, а структура пространства времени, в свою очередь, сказывается на движении тел и действии сил. Пространство и время не только влияют на все, что случается во Вселенной, но и сами от всего этого зависят.

Первыми предсказанными и проверенными экспериментальными следствиями общей теории относительности стали три классических эффекта: дополнительный сдвиг перигелия орбиты Меркурия по сравнению с предсказаниями механики Ньютона; отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца; гравитационное красное смещение, или замедление времени в гравитационном поле. Последний факт имеет важное прикладное значение: его приходится учитывать при проектировании глобальных систем позиционирования, таких как GPS и ГЛОНАСС.

Одним из предсказаний ОТО является наличие гравитационных волн, которые излучают любые движущиеся тела. Однако гравитационное излучение настолько слабо, что его экспериментальное обнаружение возможно только от очень мощных источников, какими, например, являются черные дыры, вращающиеся друг относительно друга.