Гравитационные волны

Участники:

Владимир Борисович Брагинский – доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН

Михаил Васильевич Сажин – доктор физико-математических наук

Александр Гордон: …Теории относительности Эйнштейна. Но до сих пор они не зарегистрированными остаются, таким теоретическим предположением.

Владимир Брагинский: Нет.

А.Г. Не зарегистрированным?

Михаил Сажин: Совершенно верно.

В.Б. Даже уже Нобелевскую премию дали.

А.Г. За что?

В.Б. За косвенное обнаружение, проверку формулы Эйнштейна для гравитационного излучения. 93-й год, Нобелевский комитет сработал верно.

А.Г. Секунду, секунду, секунду. Вы говорите – нет, вы говорите – да.

В.Б. Да. И он прав, и я прав.

А.Г. Это к слову о логике, которая используется в описании квантовой механики. И даже в общей теории относительности. А что произойдёт при двух сценариях: первый из которых мы сегодня будем обсуждать так или иначе в этой программе. Гравитационные волны – да, будут обнаружены в эксперименте, с помощью столь сложных устройств…

В.Б. Непосредственно будут обнаружены.

А.Г. Да, непосредственно.

В.Б. Нобелевскую премию дали за опосредованное обнаружение.

А.Г. А теперь будут непосредственно обнаружены гравитационные волны. И это один сценарий. И второй: при всех попытках гравитационные волны не будут обнаружены, а общая теория относительности зарекомендовала себя как очень точная в предсказаниях наука.

В.Б. Да. Она – инженерная дисциплина для слабых гравитационных полей, для высокоточной космической навигации.

А.Г. Очень хорошо. Есть вероятность того, что гравитационные волны не будут прямо обнаружены?

В.Б. Нет.

А.Г. А вы как считаете?

М.С. Я считаю, что они будут обнаружены.

А.Г. Хорошо, теперь, когда мы об этом договорились, стоит напомнить, что вы сами разделили эфир на две неравные части. У вас 30 минут времени, у вас 20.

В.Б. Михаилу Васильевичу – 20?

А.Г. Да.

В.Б. Значит, можно начинать? Я начну издалека. Сначала был Максвелл. В 1865-м году он обнаружил, что в его уравнении есть волновое решение, и это было опубликовано. И в среде очень небольшого количества физиков это была острая проблема. Гельмгольц своему ассистенту говорил: «Максвелл знает, что есть волновое решение». Должны быть волны. Что это такое? Надо их обнаруживать, если они есть. Хотя оптика была, но никто тогда не знал, что оптическое излучение – это тоже электромагнитные волны.

В 1888-ом году ассистент Гельмгольца сделал опыты, которые известны довольно давно – опыты с вибратором Герца. Он разряжал банку на диполь (на то, что сейчас стоит на крышах многих домов – антенны дециметрового диапазона) и ухитрился разглядеть маленькую искорку в таком же диполе, в таком же вибраторе, который находился на расстоянии нескольких метров. Потом обнаружил, что можно отразить волну. Это была прямая демонстрация существования гравитационного излучения. Здесь надо сделать некоторый акцент. Акцент принадлежит Лоренцу – великому голландскому физику. Это то поле, которое отрывается от источника и существует сколь угодно долго, но распространяется, если в вакууме, то со скоростью света. Итак, прошло 7 лет после Генриха Герца. Рентген открыл рентгеновские излучения. Те же самые, электромагнитные, только другая длина волны – маленькая. В 10 тысяч раз меньше, чем оптический диапазон.

Ещё несколько лет прошло. Всем стало ясно, что это единый спектр, только частоты разные, длины волн разные.

Дальше, следующий этап начался с середины первой мировой войны. Эйнштейн публикует общую теорию относительности. В линейном приближении она очень похожа на уравнение Максвелла. Она сложнее, но в линейном приближении похожа. В самом конце войны он публикует ещё одну статью, добавочную, уточняющую, о том, что у него тоже есть излучение, которое должно оторваться от источника и существовать независимо, распространяться со скоростью света, только излучаться в обычных условиях оно должно очень слабо.

Почему? Потому что гравитационные взаимодействия – самые слабые из всех известных. Отношение электрического заряда к массе, скажем, электрона – большое число: пять на десять в семнадцатой. В то время как у всех тел, у всех видов материи, нам известных, это отношение – десять в минус седьмой, не плюс семнадцатой, а минус седьмой. Значит, разница – почти 25 порядков.

Тем не менее, статическое гравитационное взаимодействие обнаружили. Все тела, во-первых, обладают малыми гравитационными зарядами, гравитационной массой. И они притягиваются, все притягиваются. Нет отталкивания. Вот первый факт.

Второй факт. У всех тел отношение заряда к массе, гравитационного заряда к инертной массе – одно и то же. Это иногда называют принципом эквивалентности, но по существу – это закон природы, опытный факт. Из этого, к сожалению, следует (это можно по Максвеллу выяснить или по Эйнштейну – одинаково), что дипольного излучения нет, нет плюсов и минусов. А есть квадрополе. Квадрополе – это два диполя, которые мешают друг другу излучаться. Есть такой маленький довесок.

И тогда стали оценивать – нельзя ли в лаборатории сделать опыт, сделать ускоренное движение масс или две массы вращать? Выяснилось: возьмёте тонну, две тонны, раскрутите до такой скорости, что лучшая сталь еле-еле выдерживает, и получите мощность излучения десять в минус тридцатой ватта. Очень мало.

Через 30 лет после публикации статьи Эйнштейна 18-го года, в 48-ом году, замечательный советский физик Вадим Александрович Фок первым сказал: «Ребята, есть большие массы – астрофизические». Он посчитал, что Юпитер излучает 400 ватт, правда, на очень длинных волнах.

Потом была пауза. Пауза длилась лет 10. Люди стали медленно и систематически рассматривать, какие источники, подаренные природой, можно обнаружить.

Много сделали российские физики, советские в то время. Но хороших моделей не было, пока не появилось открытие. Открыли нейтронные звёзды. Нейтронная звезда – это звезда, которая имеет массу немножко больше солнечной, но такая плотная, что она уместится в Садовом кольце, если можно будет сделать вокруг неё такой поясочек.

Если нейтронные звёзды могут приближаться друг к другу, сталкиваться, сливаться – это будет потрясающей силы источник. Вот это первая задача, которая возникла и стала более-менее ясно формулироваться в 70-х годах. Параллельно экспериментаторы фантазируют: как же решить такую проблему, найти тот вид излучения, который на бумаге уже давно существует.

Было ещё несколько этапов, я их опущу. С моей точки зрения, ключевым был этап, который связан с изобретением Мейманом лазера. Это мощный источник оптического излучения с очень узкой линией, её ухитрились ещё потом снизить, сузить весьма существенно, и получилось нечто замечательное. Теперь говорят, что лазерная физика – это, собственно, область физики, где лазеры применяются для самых разных надобностей. Сейчас ими (это отклонение от темы) научились ускорять элементарные частицы, используя не гигантские машины, а скромные установки на лабораторном столе. Получают сотни мегавольт на частичку. Это много. Будет больше.

Но я возвращаюсь к теме. В 62-м году, практически сразу после изобретения лазера… Можно первую картинку?

А.Г. Кстати, о лазере, он у вас в руках.

В.Б. Да, но я пользуюсь не таким хорошим, каким нужно.

Два хороших человека, хороших физика, Миша Герценштейн и Слава Пустовойт сказали: «Нужно взять две массы и из них сделать антенну». Почему? Из-за той же квадропольной природы слабо происходит излучение и слабо происходит взаимодействие. Нет плюсов и минусов, значит, только на неоднородности можно поймать, обнаружить прохождение гравитационной волны. А гравитационная волна – это не что иное, как поле неоднородных ускорений. Когда она через вас проходит – она через вас проходит, через Михаила Васильевича, – мы удлиняемся в одном направлении, съёживаемся в другом, а потом в следующий полупериод – наоборот.

Они сказали, что нужно использовать такую схему. Нежно подвесить два зеркала, лазер, сделать так, чтобы расстояние между зеркалами было таким, чтобы был резонанс целому числу полуволн, здесь поставить детектор. Это очень чувствительная игрушечка для измерения маленьких колебаний.

Потом примерно 6-7 лет была пауза. И, наконец, с 70-го года в научно-исследовательском технологическом институте и в университете города Глазго, где живут какое-то количество Гордонов, начались опыты в лабораторных условиях. Просто привыкали к зеркалам, привыкали к тому, что это не жёсткая конструкция, как обычно в оптике, а они нежно, деликатно подвешены. И вот три человека в 81-м году убедили Национальный фонд научных исследований выделить довольно приличные деньги на то, чтобы сделать прототип антенны, основанный на этом принципе. Это Рон Дривер, Рэй Уайс и Кип Торн. Кип Торн, кстати сказать, член нашей российской Академии Наук, почётный доктор МГУ. Очень хороший человек. Он – теоретик, да и остальные – экспериментаторы – не хуже.

Сделали прототип. Кстати, здесь уместно сказать, что люди, которые делали прототип, с моей точки зрения, – образец стопроцентной отдачи себя науке. Было потрачено, с 81-го года по 96-й, 15 лет и почти не было публикаций у десяти человек. Наконец, они сделали прототип, который начал измерять маленькие колебания. Насколько маленькие? Отношение дельта эль к эль (относительно изменения длины) примерно на уровне десять в минус девятнадцатой, при времени измерения в сотую секунды. Эти числа близки к тому, что нужно сделать. Но не совсем. Время примерно то же, потому что, скажем, от слияния нейтронных звёзд должен быть всплеск со средней частотой около ста герц. Но отношение дельта эль к эль, это растяжение и сжатие, должно быть меньше примерно в сто раз.

В этот момент, в 96-м году, тот же Национальный Фонд научных исследований США решил – пора вкладывать деньги в эту программу всерьёз, потому что опыт показал, что это, как говорят англичане, американцы, «doable»: это можно сделать. И вместо 40 метров сделали машину, которую сейчас мы посмотрим на следующем кадре, пожалуйста.

Вот модель процесса: две нейтронные звезды, попавшие на относительно близкое расстояние, такой у них был прицельный параметр, сливаются. Они выдают всплеск гравитационного излучения. Редкое событие, поэтому одной галактикой здесь не обойдёшься. В галактике это бывает редко. Есть споры – раз в десять тысяч лет или раз в сто тысяч лет. Значит, надо брать много галактик.

Поэтому расстояние, на которое надо рассчитывать – сто миллионов, может быть, для надёжности, 200 световых лет. Или 1026 сантиметра. А на земле расположить эту комбинацию из зеркал и лазера. Упрощённая схема, но больше ничего.

Естественно, сразу спрашивается, а что нужно? Нужно отношение дельта эль к эль, по крайней мере, десять в минус двадцать первой, лучше в минус двадцать второй. Этот проект носит название «ЛАЙГО». Срок жизни этого проекта, у него есть разные этапы, примерно 30 лет. Здание, аппаратура, основные конструкции построены из этого расчёта. Стоит он недорого, одну треть подводной лодки. Подводная ядерная лодка стоит 2 миллиарда долларов, а это – одну треть, и за 30 лет, а США производит 2 подводные лодки в год.

Можно следующий кадр?

Это вид с высоты примерно 50 метров, с вертолёта. Это главное здание. Здесь надземный туннель. Здесь зеркало, здесь набор зеркал. Конструкция уходит туда на 4 км, и там тоже кончается зданием, и там тоже в конце трубы висит нежно подвешенное зеркало.

А.Г. Вот у меня сразу возникает вопрос, простите, не могу от него отделаться, как «нежно подвешенное»? Как можно аннулировать шум?

В.Б. Я к этому подойду. Пожалуйста, следующий кадр. Это я – для масштаба, а вот это – труба.

А.Г. «Я – для масштаба»…

В.Б. Да. А это коллеги, которые ухаживают за конструкцией. Их две, таких антенны. Одна находится недалеко от Нового Орлеана, а вторая – недалеко от Сиэтла. Между ними 10 световых миллисекунд или 3000 км, так что можно работать в схеме совпадений. И даже, если удастся, различить фронт, направление на источник.

Пожалуйста, следующий кадр.

Вот опять же я – для масштаба. Вот броневая половинка туннеля, сделанная из бетона для того, чтобы трубу защитить. Вот это профессор Торн, зачинатель этого дела, значит, вон там профессор Вит Чайн. Кадры не очень ясные. Можно и меня, может быть, узнать. Это студент.

Дальше, пожалуйста.

Внутри большого здания много труб, там система несколько сложнее, чем то, что я описал, но основная сущность – два зеркала и ещё два зеркала, и больше ничего. Чаны есть. В чанах стоят шедевры антисейсмической изоляции, которые порядков на 11 глушат сейсмику, пролезающую, стремящуюся пролезть к зеркалу.

Пожалуйста, следующий кадр.

Если вы хотите подойти, вскрыть чан и заменить там что-нибудь внутри, вам придётся надеть такие вот халаты, «намордники» и перчатки. Пыль не должна проникать, потому что пылинка на зеркале – это плохо.

Пожалуйста, следующий кадр.

А.Г. А каков размер зеркал?

В.Б. Вот оно. Это доктор Елена Армандула держит зеркало в руках. А вот его маленькая модель, модель уменьшенных размеров, с которой мы много раз игрались. Она стоит всего лишь 200 долларов, и можно наиграться всласть, что мы и сделали, об этом я чуть позже расскажу. А вот это стоит 50 000 долларов, потому что оно покрыто двадцатью парами слоёв, которые очень хорошо отражают фотоны. Фотоны используют здесь многократно с тем, чтобы не слишком много энергии тратить и добраться до цифры дельта эль к эль десять в минус двадцать первой или в минус двадцать второй. Для этого нужно много раз использовать фотон, и начальная мощность должна быть большой. Это дешёвое зеркало, а это не очень. Это 200 долларов всего лишь стоит, а то – 50 тысяч. И покрытие ещё 30. Вот так.

Теперь, значит, как избавляться от шумов? Один момент я уже отметил.

А.Г. Чан.

В.Б. В чане антисейсмический изолятор. Набор плиток и пружинок, у которых частота ниже той, на которой мы работаем. Они просто давят, поглощают, утишают сейсмическую волну, которая в обычных условиях – это десять в минус четвертой, десять в минус пятой, если частоты повыше – десять в минус шестой сантиметра. Но не десять в минус шестнадцатой, которая нужна, чтобы было при 4 км от цифры десять в минус двадцать первой.

Следующий момент. Вообще говоря, не всё так просто, как я описал. Шумов, действительно, очень много. И первый враг – броуновские шумы. На каждую колебательную степень свободы приходится кТ, на обычную степень – половиночка кТ, надо от них избавиться. Конечно, можно было бы всё морозить, но это, во-первых, дорого; во-вторых, можно заморозить, скажем, до трех градусов Кельвина. Выигрыш будет всего лишь сто раз по температуре, а по колебаниям – всего лишь 10. Надо куда сильнее. Есть приём, который был давно придуман, он заключается в том, что делают всю механическую систему высокодобротной. Тогда вся энергия – вблизи резонанса. А на крыльях – ничего. А гравитационная волна, вот то, что заставляет сжиматься и разжиматься, неоднородное ускорение, она, скажем, на ста герцах, далеко. И посему начались проблемы…

Сначала этот проект был национальным, но лет 6-7 тому назад он стал, по существу, международным. К нему присоединились британская группа, немецкая группа и две группы из России. Одна из Института прикладной физики из Нижнего Новгорода, а вторая – из МГУ, я к ней принадлежу. Теперь немножечко о том, что мы сделали.

Профессор Митрофанов и его коллега Токмаков такое зеркало, которое вы держали в руках, именно такое же, подвесили на ниточках из очень чистого кварца, у которого маленькое акустическое затухание, то, что нужно. И сделали постоянную времени, времени затухания маятника – маятник Галилея, здесь никаких хитростей нет – больше пяти лет при комнатной температуре, добротность – два на десять в восьмой.

Потом выяснилось, что есть ещё много элементов, которые надо проработать. Например, есть такая неприятность – флуктуация температуры. При полном равновесии, тем не менее, температура вашего левого плеча не равна правому, она всё время немножечко дёргается. Если взять всё плечо, то это малые доли Кельвина, но этого достаточно, если учесть коэффициент теплового расширения, чтобы появилась рябь на поверхности зеркала. В результате нельзя делать маленькое лазерное пятно, надо делать большое. Это и сделали мои коллеги Сергей Петрович Ветчанин и Михаил Денисович Городецкий. Сделали полный анализ, когда уже вся программа шла на полном ходу. Поэтому она сейчас перестраивается, увеличивают размер пятна. А на втором этапе «ЛАЙГО-2» там будет пятно размером с ползеркала.

И есть, наконец, третья проблема, самая серьёзная. Значит, всё-таки маленькие величины: мечтают добиться в 2010 году дельту эль к эль 10 в минус 22-ой. Амплитуда колебаний 10 в минус 17-й сантиметра. Нет ли здесь квантовых неприятностей? Они есть, хотя температура комнатная, и кругом полно частиц, у которых энергия намного больше той энергии, – если говорить о энергии, скажем, поступательного движения, – которую можно обнаружить. Тем не менее и от этого можно избавиться. Вот такими приёмами.

Центр масс 10-ти или 20-килограммового зеркала будет вести себя как квантовый объект. Известно, что той постоянной времени, о которой я вам сказал, если вспомнить только один вид броуновского движения, достаточно, чтобы в течение нескольких миллисекунд строго выполнялись соотношения неопределённости Гейзенберга. Фотоны стучат, сообщают неопределённость импульса. И координата не может быть измерена точнее, чем некоторый порог, для которого уже придумали название – стандартный квантовый предел. Он определяется соотношением неопределённостей и временем измерения.

Кстати сказать, как ни странно, этот порог был, так сказать, осознан относительно недавно. Квантовая теория – это 27-28 годы, а порог в 67-м году был описан. Мои коллеги и я понимали, что он есть, но не очень понимали его существо. Но чувствовали себя примерно так же, как вы, когда вам рассказывают о квантовой теории: есть волновые свойства у центра массы зеркала килограмм 10-ти массой и при комнатной температуре, но при хорошей изоляции.

Вот здесь, так сказать, наступает некоторый критический момент в поиске. Вся система рассчитана лет на 30 работы. Сейчас идёт запись на двух антеннах. Запись закончится где-то в мае, начнётся обработка. Посмотрим, не видно ли чего-либо, а вдруг чего-нибудь обнаружили? Но, по-видимому, нет – по чувствительности дотянулись до расстояния немножечко больше, чем мегапарсек от Земли. Надо всё-таки хотя бы 10 мегапарсек иметь. Заведомо эта цифра будет получена в течение ближайших пяти лет, сомнений нет.

Дальше начнётся полная реконструкция, и будут использованы, в частности, разработки МГУ и разработки из Нижнего Новгорода. Я опускаю технические детали, ведь зеркало – это шедевр технологического и физического искусства, если хотите – науки, как угодно называйте.

Наконец, ещё одна трудность. Если квантовое поведение, если есть предел – как его обойти? Есть рецепт, он был найден исторически относительно недавно. Надо перестать избирать координату. Надо избирать, например, импульс. Импульс сам с собой коммутирует во времени у свободной массы. Но это сделать не очень просто. И надо как-то переделывать так, чтобы не слишком дорого было. всё-таки треть подводной лодки, правда? Это дорого. Это же не на войну, это же для удовлетворения любопытства.

А.Г. Ну, да.

В.Б. Посему, пришлось поработать. Есть элегантная модель, предложенная моим коллегой профессором Халили. Можно обойти проблемы, и относительно простые варианты наклёвываются, но они ещё не доработаны, над этим предстоит работать. Так что всё будет интересно и очень здорово. Положительный результат мы с Михаилом Васильевичем гарантируем. Может быть, так случится, что он будет несколько позже, чем мы хотели бы, но будет.

Михаил Васильевич дальше расскажет о других длинах волн и о других источниках. Но заведомо известно следующее: узнаем, какова популяция, сколько нейтронных звёзд в галактиках, и по форме всплеска узнаем, каково уравнение состояния нейтронной звезды. Заведомо. Второе. Есть большая вероятность, не на первом этапе, а на втором, обнаружить более редкие события, когда нейтронная звезда сталкивается с чёрной дырой. Вот тут будет момент истины для общей теории относительности.

А.Г. Есть чёрные дыры или их нет?

В.Б. То, что есть плотные образования, очень на них похожие, сомнений не вызывает. Вот есть ли у них корочка, радиус Шварцшильда? Когда гравитационный потенциал точно равняется «с2».