Агент Большого Взрыва

Научное сообщество уверено, что Кип Торн и его коллеги по эксперименту LIGO вот-вот получат Нобелевскую премию. Ведь для науки их открытие равнозначно тому, что сделал в XVII веке Галилей. Он создал современную астрономию. Кип Торн — астрономию будущего. «Такие дела» встретились с ученым на физфаке МГУ в Москве, чтобы узнать, чего нам ждать от гравитационных волн

***

Кип Торн — симпатичный лысый дедушка в больших очках, с сединой в ухоженной бородке. Я ловлю его во время кофе-брейка на конференции, посвященной памяти его русского коллеги и друга, блистательного ученого Леонида Грищука, «Лёни», как называет его, ласково растягивая гласные, Кип Торн.

Ученый едва успел переброситься словом с коллегами-физиками, взять себе кофе и кекс — и тут я со своими вопросами. Проходим в опустевший на время зал, садимся рядом на мягкие стулья.

Новый глаз человечества

«Все наши исследования Вселенной до этого момента были основаны на электромагнитных волнах: свет, рентген, радиоволны, гамма-излучение, инфракрасное излучение, — это Торн отвечает на мой первый вопрос о том, в чем принципиальная важность его открытия. — Гравитационные волны — совсем другой тип излучения».

Торн рассказывает, что вся мировая астрономия до 2015 года заключалась, по сути, в том, что люди смотрели на небо. Началась она, когда человек впервые поднял вверх глаза. Когда в XVII веке Галилей создал телескоп, он просто увеличил человеческий глаз с помощью линзы, позволившей видеть дальше и четче. После этого искусственные глаза человечества становились все больше и видели все лучше. Потом диапазон зрения наших искусственных глаз начал расширяться по всему электромагнитному спектру: появились радиотелескопы и рентгеновские телескопы, позволившие увидеть Вселенную по-новому. И все равно все эти телескопы — от маленьких оптических, стоявших у людей на балконах, до огромных тарелок, ловивших радиочастотное эхо Большого Взрыва, работали на одной единственной фундаментальной силе природы — электричестве, том самом электричестве, которым светят лампочки и цепляются магнитики к холодильнику.

Искажение пространства-времени массивными объектами согласно теории ЭйнштейнаФото: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab

Первым человеком, который предположил, что волны могут быть какими-то иными, кроме электромагнитных, был, конечно, Эйнштейн. Сначала он в своей теории относительности предположил, что пространство и время неразделимы, что это измерения нашего мира, образующие вместе четырехмерное пространство-время. А потом, наконец, сумел объяснить то, чего не мог объяснить Ньютон: что такое гравитация. Если катнуть мячик по мятому ковру, он уедет в сторону на первой же складке, так и Земля летит в пространстве прямо, но оказывается на орбите, потому что пространство изогнуто массой Солнца. Если что-то может изгибаться, думал Эйнштейн, то оно может и колебаться, а колебания — это волны. Впрочем, даже Эйнштейн не предполагал, что люди когда-либо сумеют их экспериментально обнаружить. Потому что гравитация — самое слабое колебание во Вселенной.

На своей лекции в МГУ «Гравитационные волны и познание Вселенной: LIGO, Большой взрыв и черные дыры» Кип Торн расскажет, что хоть какая-то надежда появится у ученых только через полвека после открытия Эйнштейна. Во-первых, люди построят компьютеры, которые помогут провести очень точные расчеты, а во-вторых, станет понятно, что во Вселенной есть чудовищно массивные объекты, такие, как нейтронные звезды и черные дыры, способные создавать сильные гравитационные волны. А что такое «сильные гравитационные волны»?

Компания безумцев

В конце этой самой лекции Кипу Торну подарят футболку с надписью «10^-21». История надписи такова: когда те люди, что сейчас готовятся получить Нобелевскую премию, только строили теоретические предположения о том, какой точностью должны обладать приборы, которые смогут засечь гравитационные волны, они придумали себе лозунг: «10^-21 или ничего!» Это значило, что их аппаратура должна была суметь почувствовать изменения расстояния порядка 10^-21 метра.

Попробуйте представить себе 10^-21 метра. Человеческий волос в 10 тысяч раз меньше метра. Атом меньше волоса еще в миллион раз. Атомное ядро еще в 10 тысяч раз меньше. А чтобы обнаружить гравитационные волны, нужно суметь почувствовать колебания на расстоянии в 10 миллионов раз меньше, чем атомное ядро. Правда же, не странно, что астрономическое сообщество несколько десятилетий считало этих людей сумасшедшими? Даже сам Кип Торн в своей книге по общей теории относительности, вышедшей в 1973-м году, назвал эту затею бесперспективной. До того, как он узнал об исследованиях, проводившихся на физфаке МГУ!

Кип Торн (второй справа) во время дискуссии с коллегами в лекционном зале физической школы в Лез-Уш, Франция, 1972 годФото: A.T.Service/Wikimedia Commons

Группа физиков из МГУ во главе с Владимиром Брагинским и Валерием Митрофановым, первой начавшая сотрудничать с американскими безумцами, придумала сложнейшую систему подвесов и маятников, которая позволила защитить составлявшие основу прибора 40-килограммовые зеркала от малейших колебаний земной поверхности. Успех им долго не давался. Рассказывают, что в 80-е годы в подвалах физфака пытались построить установку для обнаружения гравитационных волн. Но из-за недостаточных размеров и недоработанности технологии колебаний пространства-времени устройство не ловило. Зато физики с точностью до секунды знали, во сколько от метро Университет отходит последний трамвай.

Но после тридцати лет теоретических изысканий, двадцати лет стройки и почти миллиарда долларов от американского правительства прибор наконец-то был готов. Построили две установки — одну в Луизиане, другую на пустынной равнине штата Вашингтон — с четырехкилометровыми вакуумными трубами, на концах которых подвесили те самые зеркала. По трубам от излучателя к зеркалу и обратно пустили лазерный луч, а потом по малейшему смещению гребней световых волн друг относительно друга стало возможно определить, изменилось ли расстояние между излучателем и зеркалом с той самой точностью до 10-²¹ метра. В каждой установке таких труб две: одна измеряет, как пространство растягивается в одну сторону, вторая — как сжимается в другую. Гребень — впадина — гребень — впадина. А называется это все LIGO: лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория.

Для науки и Голливуда

«Около 1,3 миллиарда лет назад, в далекой-далекой галактике, — продолжает рассказ Кип Торн, — слились, кружась друг вокруг друга, две черных дыры, каждая массой примерно в 30 раз больше Солнца. Когда они столкнулись, пространственно-временной шторм был настолько сильным, что за долю секунды в энергию гравитационных волн ушли три массы Солнца. Это в 50 раз больше, чем мощность излучения всех звезд Вселенной.

Детектор LIGO в Хэнфорде, штат ВашингтонФото: LIGO Project

К 14-му сентября 2015 года эти волны дошли до Земли и стали почти незаметными. Но не совсем. Приборы LIGO в тот день были включены, хоть и проходили все еще тестовый период работы. Официальный запуск системы был назначен на 17-е сентября. Когда сотрудники обсерватории увидели сигнал, никто не поверил, что это настоящие гравитационные волны. Все подумали, что сработала одна из тестовых «учебных тревог». Но даже после того как люди, проводившие учения, поклялись, что это не их рук дело, ошеломленным ученым понадобилось еще несколько месяцев, чтобы убедить самих себя в том, что все это не ошибка».

Именно тогда пригодились компьютерные симуляции, которые Кип Торн разрабатывал с начала 2000-х годов. Правда, раньше всех они пригодились Голливуду для создания необычайно красивых и совершенно достоверных картинок гравитационного искривления света для фильма «Интерстеллар». А теперь выполняли свою настоящую работу: сравнивая сигнал установки и сигнал в симуляции, ученые смогли понять, какой массы были черные дыры, каково было расстояние до них, а главное, — что это действительно был астрономический феномен, а не странный глюк системы. В тот день у человечества появился еще один глаз — гравитационный.
«Гравитационные волны не помогут нам увидеть горы на Луне, но мы сможем увидеть столкновения черных дыр, — говорит Кип Торн, а в маленький зал, где мы сидим, уже начинают прибывать люди. — Мы не увидим луны Юпитера, но сможем рассмотреть фундаментальные силы Природы, электричества и магнетизма в момент рождения Вселенной. Вот что мы будем изучать».

Слияние двух черных дыр, источник гравитационных волн, обнаруженных LIGO

Я понимаю, он имеет в виду, что гравитация лучше любой другой силы сможет проникнуть к началу времен и рассказать нам о том, как был устроен Большой Взрыв. Для этого, конечно, придется подождать несколько десятилетий, пока в космос не запустят обсерватории с лазерными рукавами длиной в миллионы километров, но для Кипа Торна это уже вопрос решенный — обсерватории полетят, даже если он этого не увидит. Он, конечно же, не увидит.
На лекции Торна в МГУ я буду сидеть на лестнице и там будет некуда передвинуть ногу: большая аудитория физического факультета едва вместит студентов, аспирантов, преподавателей, а за спиной у Кипа Торна будут стоять его коллеги с физфака, с которыми он работает и дружит без малого четыре десятка лет. И все мы будем думать о том, что же человечество сможет увидеть своим гравитационным глазом.

— А можно с помощью этого метода увидеть что-то неожиданное? — пристаю я к ученому.
— Конечно, — улыбается Торн. — Мы обязательно увидим что-нибудь совсем неожиданное. Каждый раз, когда человечество открывало новый способ исследования Вселенной, как, например, рентгеновские телескопы, мы обнаруживали сюрпризы. Группой LIGO были разработаны методы анализа данных, позволяющие видеть сигналы, полностью отличающиеся от того, что можно ожидать. Мы готовы искать сюрпризы.