Педро Феррейра Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Глава X Увидеть гравитацию

Группа, занимающаяся общей теорией относительности; считалась неполной без одного или нескольких релятивистов; занятых решением проблемы столкновения черных дыр с прицелом на поиск гравитационных волн. Проводились конференции и встречи; на которых каждый желающий мог продемонстрировать новые приемы, схемы и графики. Но уравнения не поддавались.

А без формы сигнала, найденной при моделировании двойных систем, не было надежды на их обнаружение с помощью детекторов. Вспоминая эти мрачные времена; Преториус сказал: «Была большая вероятность; что задача окажется достаточно сложной и к моменту ввода в эксплуатацию [детектора гравитационных волн] она решена не будет». Экспериментальные данные могли начать накапливаться до того, как компьютерная модель даст приемлемый прогноз. Но у битвы за численное решение уравнений Эйнштейна была и вторая сторона, оказавшая неожиданное влияние на весь мир. В конце 1970-х и начале 1980-х Ларри Смарр разработал еще более сложные программы и пытался их запускать на самых мощных компьютерах, к которым удавалось получить доступ.

Работающий в США Смарр обнаружил, что многие из его программ работают в Германии, и был крайне разочарован отсутствием возможности запускать их в Штатах. К середине 1980-х Смарр успешно убедил правительство США в необходимости финансировать сеть суперкомпьютерных центров для обслуживания всех отраслей науки, нуждающихся в «обработке данных». В конечном итоге он возглавил один из этих новых центров, Национальный центр суперкомпьютерных приложений в штате Иллинойс. Именно его исследовательская группа в 1990-х годах выпустила первый веб-браузер с графическим интерфейсом, который назывался Mosaic и позволял визуализировать данные на удаленных узлах Интернета.

Вот так, в самый разгар битвы с черными дырами численные методы общей теории относительности внесли свой вклад в интернет-культуру, ставшую неотъемлемой частью нашей жизни. Пока осваивающие численные методы релятивисты топтались на месте, полным ходом велась работа над эффективным инструментарием для фиксации гравитационных волн. На этот раз здесь не было места фальшивым открытиям, превосходящим возможности аппаратуры, — эпоха Вебера ушла в прошлое. Предпочтительным устройством стал интерферометр, но к нему предъявлялись чрезмерные требования. Лазерные лучи должны были проходить достаточно большую дистанцию, чтобы интерференционный узор позволял распознать даже мельчайшие отклонения, обусловленные гравитационными волнами.

Однако в интерферометре длиной в километр лазерный луч скакал в разные стороны, более сотни раз отражаясь от прикрепленных к грузам зеркал. Зеркала требовались идеально гладкие и идеально ровные. При этом ожидавшееся отклонение было крошечным. Вспышка гравитационных волн, рождающаяся при слиянии двойной системы, привела бы к отклонению в долю ширины протона. Построить полнофункциональные интерферометры, которые могли бы достоверно регистрировать приходящие из космоса гравитационные волны, было практически невозможно. Лазерный луч должен был проходить километры, не отклоняясь даже на ширину атома. Оборудование следовало как бы подвесить в воздухе, защитив от всех повседневных шумов, снабдив совершенными зеркалами и ультрасовременными средствами обработки сигналов, способными выделять даже неуловимые отклонения. При этом нужно было экранировать всю систему от приливов, способных сместить грузы на долю миллиметра, грохота грузовиков на дорогах и вибраций электросети.

Требовалась идеальная во всех отношениях и очень большая система. Размер и стоимость интерферометров, пригодных для исследований гравитационных волн, ограничивали возможность их создания. В Европе объединенными силами Великобритании и Германии был построен гравитационный телескоп с длиной канала 600 метров. Расположенный в немецком городе Зарштедте, он получил имя GEO600. Намного больший аппарат, названный Virgo в честь включающего в себя тысячи галактик скопления Девы, с плечами длиной 3 километра был задуман французами и итальянцами и построен в итальянском городе Кашина. В Японии создали небольшой гравитационный детектор ТАМА с плечами длиной 300 метров.

Образцовым представителем инструментария для интерферометрии гравитационных волн должна была стать лазерно- интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory LIGO). Изначально проект был предложен двумя экспериментаторами — Райнером Вайсом из Массачусетского технологического института и Рональдом Дривером из Калтеха — и теоретиком Кипом Торном. Задуманная в начале 1970-х, обсерватория LIGO имеет сложную историю. Здесь должен был находиться, без сомнения; самый большой из интерферометров. На самом деле это было даже два интерферометра, один из которых должен был находиться в Хэнфорде, штат Вашингтон, а второй в Ливингстоне, штат Луизиана. Такое расстояние между аппаратурой позволяло исключить результаты, обусловленные локальными шумами, землетрясениями и дорожным движением.

Объединив усилия с еще одним детектором, например GEO600, можно было определить направление источника гравитационных волн, и это была бы настоящая обсерватория, надежный телескоп. Но пока никто точно не знал, что нужно измерять и достаточно ли имеющейся чувствительности инструментов. LIGO предполагалось строить в два этапа. Во-первых, требовалось создать «опытно-экспериментальную установку», гигантский прототип, работающий так, как хотели релятивисты и экспериментаторы. На это строительство отводилось более десяти лет. Только потом можно было усовершенствовать LIGO и приступить к поиску интересных данных. Это были долгосрочные проекты, но последствия в случае, если бы LIGO действительно зарегистрировала гравитационные волны, были бы грандиозными.

Мы бы совершенно по-новому взглянули на Вселенную, не используя световые волны, радиоволны или любой другой традиционный подход. Кроме того, возник бы новый взгляд на общую теорию относительности Эйнштейна, потому что хотя большинство верило в существование гравитационных волн, непосредственно их пока не наблюдали. Обнаружение гравитационных волн в обсерватории LIGO встало бы в один ряд с открытием электрона, протона и нейтрона в начале XX века. Эксперимент гарантированно получил бы Нобелевскую премию. Однако обсерватория LIGO вызывала восторг далеко не у всех. Строительство и запуск этого проекта требовали сотен миллионов долларов, что привело бы к уменьшению финансирования остальных исследовательских проектов. Отток средств ощутили бы не только остальные экспериментаторы, занимающиеся гравитационными волнами, но и представители других областей. А назвав себя обсерваторией, проект LIGO потеснил бы астрономов. Они бы ощутили, как уменьшается финансирование их собственных исследований.

В 1991 году в статье для New York Times Тони Тайсон из лаборатории Белла, занимавшийся гравитационными волнами еще в те дни, когда к ним только начал зарождаться интерес, писал: «Большая часть астрофизического сообщества полагает, что получить важную информацию из гравитационно-волнового сигнала будет крайне сложно, даже если его удастся зарегистрировать». Как сказал в интервью New York Times ведущий астрофизик Принстонского университета Иеремия Острайкер, мир «должен подождать, пока кто-нибудь не найдет более дешевого и надежного подхода к проблеме гравитационных волн». Астрофизики активно и почти неистово протестовали против LIGO. Когда в начале 1990-х астрономов попросили оценить, какие астрономические проекты должны получить приоритет у американских финансовых организаций, группа под руководтвом Джона Бакалла из Института перспективных исследований в Принстоне даже не включила LIGO в предоставленный список.

Американский национальный научный фонд отклонил первые два проекта LIGO и только через пять лет после подачи первого проекта одобрил, наконец, третий, с бюджетом 250 миллионов долларов — откровенно непомерной суммой для инструмента, который, скорее всего, не даст никаких осмысленных результатов и на первый взгляд технологически нереализуем. Наконец, в 1992 году после почти двадцати лет планов, проектов и мечтаний безупречный эксперимент смог начаться. Кип Торн с коллегами уже вовсю обсуждали планы создания LIGO, когда в Южной Африке родился Франс Преториус. Он вырос в Соединенных Штатах и Канаде, а докторскую степень получил в Ванкувере в университете Британской Колумбии, постигая основы своей специальности в мозговом центре компьютерного моделирования общей теории относительности.

Он получил аспирантскую стипендию в Калифорнийском технологическом институте, вотчине Кипа Торна, где ему позволяли заниматься, чем он хочет. Преториус решил по-своему взяться за проблему слияния черных дыр. В отличие от больших групп программистов, корпящих над неразрешимой проблемой моделирования сближения по спирали, вспышки и распада, Преториус работал в одиночку, «вне поля видимости», по его собственному выражению, не участвуя ни в одном крупном совместном проекте. Он тщательно проанализировал все неудачные попытки, предпринимавшиеся в предыдущие годы, и вынес из них несколько перспективных идей. На их основе он решил написать с нуля собственную программу. Преториус инстинктивно чувствовал, что будет, а что не будет работать.

В его программе уравнения Эйнштейна приобрели более простой вид, практически напоминая эти уравнения для электромагнетизма. А электромагнитные волны легко обсчитывались и распознавались. Затем программа была запущена. Процесс растянулся на семь месяцев, и этот период Преториус называет «настоящим мучением». Но, к своему удивлению и восторгу он смог запустить программу и с этого момента черные дыры начали движение по своим орбитам, пока не столкнулись; испустив вспышку волн и превратившись в одну быстро вращающуюся черную дыру. В результате было получено точное и четкое описание гравитационных волн; которого все так долго ждали. Преториус смог решить уравнения Эйнштейна при помощи компьютера.

Он воспользовался множеством идей, выдвигавшихся в предшествующие годы, но именно его свежий взгляд на проблему смог нужным образом совместить их друг с другом. Свои результаты Преториус анонсировал на конференции 2005 года в городе Банф, провинция Альберта. Орех уравнений Эйнштейна удалось, наконец; разгрызть и смоделировать поведение двух черных дыр; вращающихся вокруг общего центра и вытягивающих друг из друга энергию в неумолимой тяге к объединению; чтобы породить в итоге шквал гравитационных волн, постепенно исчезающий со временем. «Возник немалый ажиотаж, — вспоминает Преториус, — людям настолько интересно было узнать подробности; что после доклада был организован отдельный семинар для ответов на вопросы». Через полгода еще две группы объявили; что смогли решить задачу рассмотрев эволюцию двойных черных дыр с другой стороны. Как и Преториус, они проследили весь жизненный цикл этих объектов. Казалось, что открытие Преториуса сняло психологический блок с других рабочих групп, и возник поток результатов, подтверждающих его вычисления.

Возникло ощутимое чувство эйфории и облегчения. Наконец-то появилась возможность описать форму неуловимых сигналов. Наблюдатели поняли, как извлекать призрачные сигналы из многочисленных помех, регистрируемых интерферометрами. К концу своей жизни Джозеф Вебер озлобился. Его раздражали любые разговоры о гравитационных волнах. На немногочисленных конференциях и семинарах, в которых он участвовал, на публику выливался десятилетиями сдерживаемый им гнев. Он приходил в ярость от любых вопросов. Он увидел гравитационное излучение раньше кого бы то ни было, и этого у него никто не мог отнять.

Один из его первых сторонников, Фримен Дайсон, написал стареющему Веберу письмо, оставшееся без ответа. Вот что он писал: «Великий человек не боится признать, что он ошибался и осознал свою ошибку. Я знаю, что вы — цельная натура. И у вас достаточно сил, чтобы признать свою неправоту. Если вы сделаете это, ваши враги обрадуются, но еще больше обрадуются ваши друзья. Вы восстановите свою репутацию ученого». Ничего подобного Вебер не сделал. Наоборот, он стал противодействовать исследованиям гравитационных волн, активно выступая против проекта LIGO. Его ранние многочисленные появления на страницах печатных изданий создали вокруг него ореол эксперта по гравитационным волнам.

И власти порой к нему прислушивались. В начале 1990-х, когда была предпринята третья отчаянная попытка поиска средств для проекта LIGO, Вебер отправил в Конгресс письмо, в котором утверждалось, что финансирование настолько дорогостоящего эксперимента будет напрасной тратой денег. Его детекторы прекрасно регистрировали гравитационные волны и обошлись в менее чем миллион долларов. Поэтому не было нужды тратить сотни миллионов. Однако его гневные речи ни на что не повлияли; на протяжении своей карьеры Вебер сделал столько абсурдных заявлений, что, как вспоминает Бернард Шутц, «к моменту, когда он начал выступать против LIGO, никто не хотел иметь его в числе своих сторонников». Почувствовав, что его игнорируют, Вебер пошел еще дальше. Он стал врагом области знаний, которую сам создал. Вебер умер в 2000 году, еще до того, как проект LIGO начал свою деятельность. Для запуска идеально отлаженного инструмента потребовались десятилетия самоотверженной работы.

За эти годы одна задержка сменяла другую. В 1980-х и в 1990-х Кип Торн заключил ряд пари с коллегами, утверждая, что гравитационные волны будут обнаружены еще до начала нового тысячелетия, и все их проиграл. Даже в начале XXI века проект LIGO сталкивался с непредвиденными проблемами, влияющими на работу детекторов, начиная от лесорубов с их циркулярными пилами в лесу Луизианы и заканчивая мистическими шумами в ядерных реакторах в Хэнфорде. Однако когда в 2002 году аппаратуру, наконец, включили, была достигнута та чувствительность, за которую все боролись. Это была первая часть эксперимента, изложенная в плане начала 1990-х.

Детекторы могли улавливать перемещения менее чем на ширину протона, как и предусматривалось десятью годами ранее. Более того, команда LIGO объявила, что чувствительность инструмента даже выше, чем было предсказано. Это был оглушительный успех даже несмотря на то, что приборы пока ничего не зафиксировали. Как и предполагалось, в первом воплощении аппаратура не обладала чувствительностью, необходимой для регистрации гравитационных волн, но показывала, в какую сторону нужно двигаться. Теперь рабочая группа может работать над совершенствованием инструментария, пока он не увидит предсказанную Эйнштейном рябь пространства-времени.

Но это долгая история. В отличие от результатов Вебера, появившихся сразу после включения его детекторов, проекту LIGO потребуется работа тысяч технических специалистов в течение многих десятилетий, прежде чем распознавание гравитационных волн станет реальностью.

Основателям проекта — Рону Древеру, Кипу Торну и Райнеру Вайсу — уже много лет, и возможно, в этот момент их уже не будет с нами. Может оказаться, что они посвятили жизнь делу, результатов которого так и не увидят. Тем не менее существует непоколебимая уверенность в реальности гравитационных волн; их предсказала теория Эйнштейна, о них свидетельствует, пусть косвенно, медленное, но неуклонное уменьшение орбиты пульсаров. Наблюдение гравитационных волн — не более чем вопрос времени. После этого исследования в области знаний, начало которой положил шумный успех Вебера, закончатся тихим шелестом пространства-времени, проходящего сквозь нашу планету.