Поймать волну
В феврале человечеству сообщили, что 14 сентября оно пережило эпохальное событие. Человечество события не заметило, но антенна в США уловила предсказанные Эйнштейном гравитационные волны, дошедшие до нас после катастрофы «в далекой-далекой галактике», слияния черных дыр. За разъяснением, что это было, в Пулковской обсерватории нам рекомендовали обратиться... в Педагогический университет имени Герцена. К профессору кафедры теоретической физики и астрономии Андрею Анатольевичу ГРИБУ. Профессор не удивился: «Не так уж много людей занимаются теорией относительности».
ФОТО Дмитрия СОКОЛОВА
– Андрей Анатольевич, ведь эта волна прошла через каждого из нас – и долго это длилось?
– Десятые доли секунды. Это всплеск. Мы все приняли эту волну, но важно то, что ее расшифровали. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн еще в 1916 году, то есть в течение 100 лет их не могли обнаружить. Помню, как к нам, теоретикам, обратился один из главных экспериментаторов профессор Валентин Руденко из МГУ: «А если гравитационных волн нет вообще? Мы ищем, ищем и до сих пор не видим, странно...»
– А теоретики что ответили?
– Ответили: ищите, должны быть.
– Какого масштаба это открытие? С чем сопоставимо?
– Пожалуй, с открытием радиоволны. Вот Герц открыл радиоволну в XIX веке, а теперь мы с вами радио слушаем, по мобильникам говорим. Но о применимости гравитационных волн вне астрономии говорить рано. Пока мы только знаем, что они есть и что идут от астрономических объектов. А как дальше это будет развиваться... Тут могут быть самые неожиданные вещи.
Гравитационные волны – это, согласно идее Эйнштейна, такая «рябь» на едином пространстве-времени. Вот вы себе представьте: приходит такая волна – и меняется геометрия: прямые линии искривляются. Уходит волна – выпрямляются опять. Но как это увидеть?
У гравитационной волны есть частота и амплитуда, как у всякой волны. Два тела начинают колебаться одно относительно другого, и эти колебания нужно замерить. Но до 1969 года не знали, как это сделать.
В 1969-м американский физик Джозеф Вебер придумал антенну для приема таких волн из космоса. Антенна представляла собой большой цилиндр из окиси алюминия, действие волны должно было возбуждать в нем тихий звук, который следовало регистрировать. Вебер даже что-то зарегистрировал, но оказалось, что это просто какой-то шум – слишком уж сильный был звук. А гравитационные поля доходят до нас уже очень слабыми.
В МГУ в советское время тоже была создана такая антенна. Под землей, в подвале. И однажды ночью пошел какой-то сигнал. Потом оказалось... Знаете, на башне МГУ шпиль – так вот под ним кот прогуливался, а подземная антенна его шаги уловила.
В общем, главная проблема была в том, что это очень слабый сигнал.
– И слава богу: значит, катастрофа произошла далеко.
– Да, вблизи гравитационного источника очень мощная энергия, нас бы разорвало.
...Уловить эту волну смогли, когда появились более мощные антенны, лазерные. Обсерватория LIGO в США, зарегистрировавшая волну, так и расшифровывается: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. На расстоянии 4 км друг от друга находятся два зеркала, между ними труба с вакуумом, по которой бежит лазерный луч. Важно поддерживать низкие температуры, потому что тепло смазывает картину. И зеркала не такие, в которые вы смотритесь, а с ребристой поверхностью, чтобы луч много раз отражался. Когда приходит волна, одно зеркало колеблется относительно другого, а между ними бегает луч лазера. Зеркала двигаются, возникает сдвиг интерференции (интерференция – взаимное изменение амплитуды волн при наложении друг на друга. – Ред.). Этот сдвиг и измеряется. Чувствительность очень большая: если у Вебера она была «10 в минус 15», то сейчас – «10 в минус 21». В миллион раз выше!
Но и при такой чувствительности до последнего времени ничего не видели.
– Волны зафиксировали 14 сентября, почему сразу не объявили?
– Все это время обрабатывали информацию. Данные зафиксировали сразу в штате Луизиана и в штате Вашингтон. Они в трех тысячах км друг от друга. Сигнал из космоса был принят одновременно, и характеристики оказались одинаковыми.
Кстати, частота принятого излучения близка к частоте нашей обычной речи. Или чириканью птиц.
Если посмотреть на эти данные – они похожи на кардиограмму. И прочитать ее смогли, потому что есть теория столкновения черных дыр. Их массы определяются по частотам и по положению пиков на этой «кардиограмме», а когда дыры сливаются, частота увеличивается – и мы узнаем массу слившихся черных дыр. Сумма солнечных масс этих конкретных черных дыр – 65, но масса конечного продукта столкновения – 62. То есть три солнечные массы целиком ушли в гравитационную волну. Представляете, какая энергия! То, что дошло до нас, – маленький всплеск. Но его уловили, и мы можем по амплитудам на графике определить расстояние: черные дыры слились в 1 млрд 300 млн световых лет от нас.
Всего соавторов открытия больше сотни человек из разных стран: кто вел расчеты, кто делал антенну. Там и наши люди, с физфака МГУ и из Нижнего Новгорода, из института прикладной физики.
Из Петербурга нет никого. В Ленинграде в 1980-е тоже работали над гравитационной антенной, в ГОИ, Государственном оптическом институте. Я тогда заведовал кафедрой математики в Финансово-экономическом, мы занимались математическими расчетами для антенны. Ее должны были установить на Кавказе под землей. В скальной породе уже был выбит зал. Но в перестройку все это накрылось. Правда, Валентин Руденко говорит, что проект собираются возродить. Но насколько это удастся, не знаю.
– Открытие считается подтверждением гипотезы черных дыр. А мы уже так с этими дырами свыклись, что и забыли, что это гипотеза.
– Да, и произошедшее событие полностью соответствует модели черных дыр. Тут еще много других больших интересных следствий. Было сомнение, можно ли говорить о квантовании гравитации, то есть применима ли квантовая теория к гравитации. Например, свет – это колебания, а фотон – квант колебания. Так вот сейчас понятно, что есть гравитоны, частицы гравитации. Это открывает широкую дорогу теоретикам.
– Волну «караулили» долго, то есть столкновения черных дыр редки?
– Да, тут ученым повезло. Они ведь раньше работали даже с большей чувствительностью антенны, но ничего не видели.
Столкновения черных дыр редки, но если увеличить чувствительность аппаратуры, то мы будем принимать гравитационные волны от двойных звезд. Волна испускается всегда, если одна звезда вертится вокруг другой, а большинство звезд – именно двойные. И это не всплеск, это постоянная волна.
Еще в 1993-м Тейлор и Халс получили премию за обнаружение двойной системы – двойного пульсара 1913: две звезды, одна крутится вокруг другой, замедляется – и идет гравитационная волна. Но ее мы еще не можем поймать.
– Говорят: теперь у нас гравитационная астрономия. И что это значит?
– Это значит, что у нас появились еще одни глаза, которые, образно говоря, видят сквозь стены. С помощью этих антенн мы сможем проникать внутрь звезд, в раннюю Вселенную, когда вещество было сжато, свет там проходить не мог и мы «обычными глазами» ничего не увидим. А для гравитационной волны все прозрачно: она проходит сквозь вас, сквозь стены, с ее помощью можно заглядывать в такие области, в которые обычным образом не заглянуть.
– Директор группы LIGO, которая зафиксировала волны, Кип Торн, был консультантом голливудского фильма «Интерстеллар». Там и про путешествие в черную дыру, и про гравитацию, и про возможность вернуться в прошлое...
– Кип Торн когда-то к нам приезжал, я его знаю. И «Интерстеллар» я смотрел. Там все соответствует теории. Конечно, эта теория дискуссионная – например, свойства внутри черной дыры, путешествие в другое измерение, в прошлое – это не доказано. Это гипотеза, но научная гипотеза. Не просто фантазия.
– Андрей Анатольевич, вот что удивляет: наличие в педагогическом вузе кафедры астрономии – притом что уроков астрономии в школе давно нет.
– Мы должны готовить педагогов, физиков и готовим их, но многие устраиваются в различные фирмы – чаще в компьютерные. Сейчас ведь в РАН реформа и, значит, неопределенность – неизвестно, будут ставки в научных учреждениях или не будут.
А то, что в XXI веке в стране, которая запустила первый искусственный спутник, первого человека в космос, нет астрономии в школах – нелепость и позор.
Эту и другие статьи вы можете обсудить и прокомментировать в нашей группе ВКонтакте
Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 035 (5652) от 01.03.2016.
Комментарии