Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

Торн Кип

***

В 1976 г. я еще не был так пессимистически настроен по поводу твердотельных детекторов. Наоборот, я был в высшей степени оптимистичен. Первое поколение детекторов недавно дало первые результаты и имело чувствительность, которая была замечательно хорошей по сравнению с тем, что можно было раньше предполагать. Брагинский и другие изобрели множество умных и обещающих идей для колоссального улучшения в будущем, а я, как и многие другие, только начинал понимать, что гравитационным волнам предстоит сделать революцию в нашем понимании Вселенной.

Мой энтузиазм и оптимизм вел меня, когда я боролся с собой одним ноябрьским вечером 1976 г., до поздней ночи бродил по улицам Пасадены, раздумывая, стоит ли предлагать Калтеху создание

проекта детектирования гравитационных волн. Аргументы «за» были очевидны: для науки в целом — огромный интеллектуальный прорыв, если проект оказывается удачным; для Калтеха — возможность оказаться у основания захватывающего нового поля деятельности; для меня — возможность иметь рядом, в моем собственном институте, команду экспериментаторов, с которой я бы мог взаимодействовать, не полагаясь только на Брагинского и его команду на другом конце света, а также возможность играть более важную роль (а тем самым, и возможность получать большее удовольствие), чем я это мог себе позволить, общаясь в Москве. Аргументы «против» были также очевидны: этот проект был рискованным, для его успеха потребовались бы огромные вложения со стороны Калтеха и Национального научного фонда США, а также грандиозные затраты времени и энергии от меня 10. Рябь кривизны и других участников, и после всего этого он все равно мог провалиться. Эта затея была гораздо более рискованной, чем вхождение Калтеха в радиоастрономию двадцать три года назад (глава 9).

После многих часов самоанализа приманки преимуществ надо мной победили. А после нескольких месяцев изучения всех рисков и преимуществ факультет астрономии и физики Калтеха и администрация единогласно одобрили мое предложение при условии выполнения двух задач. Мы должны были найти выдающегося физика-экспериментатора, который мог бы возглавить проект, и этот проект должен быть достаточно большим и сильным, чтобы иметь хорошие шансы на успех. Это означало, как мы полагали, что проект должен был быть много большим и сильным, чем усилия Вебера в Мэрилендском университете, усилия Брагинского в Москве и любые другие разворачивавшиеся в то время попытки.

Первый шаг состоял в поиске руководителя. Я полетел в Москву, чтобы попросить совета у Брагинского и прощупать его на предмет занятия этого поста. Мои прощупывания привели к сильнейшим колебаниям. Он разрывался между возможностью работать с гораздо лучшими технологическими возможностями, которые он имел бы в Америке и гораздо лучшим мастерством техников в Москве (например, изощренное стеклодувное дело было почти утеряно в Америке, но не в Москве). Он разрывался между необходимостью строить проект с нуля в Америке и идиотскими препятствиями, которые ставила неэффективная бюрократическая система на пути его собственного проекта в Москве. Он разрывался между лояльностью к своей родной стране и отвращением к ее недостаткам, между чувством, что Америка является варварской страной, вследствие нашего отношения к бедным и к всеобщему медицинскому обслуживанию, и пониманием того, что жизнь в его стране является скудной из-за некомпетентности чиновников. Он разрывался между дружбой и богатством в Америке и боязнью мести КГБ, которая грозила его семье, друзьям и, возможно, ему самому, если бы он «дезертировал». В конце концов, он ответил отказом и рекомендовал Рональда Дривера из Университета Глазго.

Другие, с кем я консультировался, также с энтузиазмом отозвались о Дривере. Как и Брагинский, он был в высшей степени креативен, изобретателен и осторожен, т. е. обладал многими качествами, необходимыми для успеха проекта. Руководство факультета и Калтеха собрало о нем и о других возможных руководителях всю возможную информацию, выбрало Дривера и пригласило его на факультет, чтобы инициировать проект. Как и Брагинский, Дривер колебался, но, в конце концов, сказал «да». Начало было положено.

Предлагая проект, я предполагал, что, так же как Вебер и Брагинский, Калтех сосредоточится на строительстве твердотельных

детекторов. К счастью (оглядываясь назад), Дривер настоял на радикально другом направлении. В Глазго он в течение пяти лет работал над твердотельными детекторами и мог поэтому ясно оценивать их ограничения. Он считал, что гораздо более обещающими были интерферометрические гравитационно-волновые детекторы (для краткости интерферометры, хотя они совершенно отличаются от радиоинтерферометров, описанных в главе 9).

Использовать для детектирования гравитационных волн интерферометры в простейшей форме предложили в 1962 г. два русских друга Брагинского (Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт) и независимо в 1964 г. Джозеф Вебер. В 1969 г. Райнер Вайс, не знавший об этих ранних предложениях, разработал более совершенную схему интерферометрического детектора и в 1970 г. начал вместе со своей группой в Массачусетсском технологическом институте (MIT) разрабатывать и строить такой детектор. Такой же проект начал в Малибу, в Калифорнии, Роберт Форвард с коллегами из Исследовательской лаборатории Хьюза. Детектор Форварда был первым заработавшим. К концу 1970-х интерферометрические детекторы стали серьезной альтернативой твердотельным детекторам. Дривер добавил к их конструкции свои собственные хитроумные разработки.

* * *

На рис. 10.6 показана главная идея интерферометрического гравитационно-волнового детектора. К потолку на краях и в углу L-образного интерферометра подвешены на струнах три массы (рис 10.6а). Когда в лабораторию сверху или снизу приходит первый максимум гравитационной волны, его приливные волны должны раздвинуть массы в одном плече буквы «L» и одновременно сдвинуть их вдоль другого плеча. В результате этого длина первого плеча L₁ (т. е. расстояние между двумя его массами) увеличится, а длина второго плеча L₂ уменьшится. Следя за изменением разности L₁—L₂ можно искать гравитационные волны.

Слежение за величиной L₁—L₂ производится интерферометрическим образом (рис. 10.66 и Врезка 10.3). Лазерный луч светит на расщепитель пучка, который закреплен на угловой массе. Расщепитель половину луча отражает, а половину пропускает, расщепляя, таким образом, луч на два. Два луча направляются по двум плечам к крайним массам, отражаются от находящихся на них зеркал и затем возвращаются на расщепитель пучка. Делитель наполовину отражает и наполо-

вину пропускает каждый из лучей, так что часть одного луча соединяется с частью другого луча и светит в сторону лазера, а другие части лучей, соединившись, падают на фотодетектор. Если гравитационных волн нет, вклады двух плечей интерферируют таким образом (Врезка 10.3), что весь свет из интерферометра возвращается по направлению к лазеру, а на фотодетектор не попадает ничего. Если гравитационная волна изменит немного величину L₁—L₂ , то два луча в двух плечах будут путешествовать на немного изменившиеся расстояния и будут интерферировать немного по-другому — крошечная часть их общего света теперь пойдет к фотодетектору. Следя за количеством света, приходящего на фотодетектор, можно следить за изменением разницы между L₁ и L₂ и, таким образом, регистрировать гравитационные волны.