Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна
Шрифт:
Датчик Вебера был основан на пьезоэлектрическом эффекте, благодаря которому в некоторых материалах (определенных кристаллах и специальной керамике) при их небольшом сжатии появляется на концах электрическое напряжение. Веберу хотелось бы сделать свою антенну из такого материала, но это было бы слишком дорого, поэтому он сделал лучшее, что мог: он сделал твердотельную антенну из алюминия, а затем приклеил пьезоэлектрические кристаллы вблизи середины антенны (рис. 10.4). При дрожании болванки ее поверхность сжимает и растягивает кристаллы. На каждом кристалле появляется переменное напряжение, и Вебер соединил последовательно кристаллы в одну электрическую цепь, так что их малые переменные напряжения складывались в большее напряжение, которое можно было зарегистрировать электронным образом,
10.4. Джозеф Вебер демонстрирует пьезоэлектрические кристаллы, наклеенные около середины его алюминиевой твердотельной антенны (около 1973 г.). Гравитационные волны должны вызывать взаимные колебания концов болванки, и эти колебания должны сдавливать и растягивать кристаллы, так что они будут производить переменное напряжение, которое можно электронным образом зарегистрировать. [Фото Джеймса П. Блэра, предоставлено Национальным географическим обществом]
В начале 1960-х годов Вебер был одиночкой, единственным физиком-экспериментатором, занимающимся поиском гравитационных волн. Чувствуя горький привкус неудачного для него прошлого лазерного соревнования, он наслаждался этим одиночеством. Однако в 1970-х достигнутая им впечатляющая чувствительность и свидетельства того, что он, возможно, детектировал волны (оглядываясь назад, я убежден, что это не так), привлекли десятки других экспериментаторов, а в 1980-х уже более сотни талантливых экспериментаторов были вовлечены в соревнование с ним по превращению гравитационно-волновой астрономии в реальность.
* * *
Я впервые встретился с Вебером на противоположном от Монблана склоне Французских Альп летом 1963 г., через четыре года после начала его проекта детектирования гравитационных волн. Я был тогда выпускником, только начавшим исследования в области теории относительности, и вместе с тридцатью пятью другими студентами со всего мира я приехал в Альпы на интенсивные занятия двухмесячной летней школы, в основном фокусирующиеся на вопросах релятивистской теории гравитации Эйнштейна. Нашими преподавателями были величайшие специалисты в области релятивистской теории — Джон Уиллер, Роджер Пенроуз, Чарльз Мизнер, Брюс де Витт, Джозеф Вебер и другие. Мы учились у них в ходе лекций и частных бесед, рядом со сверкающими снежными вершинами Агиль-де-Миди и Монблана, в окружении бриллиантово-зеленых лугов, на которых пасутся красивые коровы, рядом с живописной деревушкой Лезуш, расположенной на несколько сотен метров ниже у подножия холма, на котором располагалась наша школа.
В этой потрясающей обстановке Вебер читал лекции о гравитационных волнах и своем проекте их детектирования, а я заворожено слушал. Между лекциями я и Вебер беседовали о физике, о жизни, об альпинизме, и я почувствовал в нем родственную душу. Мы оба были одиночками, ни я, ни он не любили обстановку напряженного соревнования и напряженного совместного интеллектуального штурма. Мы оба предпочитали бороться с проблемой в одиночку, изредка обращаясь за советом и помощью к друзьям, но не соперничая с теми, кто хочет победить нас в области новых идей или открытий.
В течение следующих десятилетий, когда исследования черных дыр начали разогреваться и входить в свой Золотой век (Глава 7), я начал находить их во многом неприятными — слишком много напряжения, слишком много соревнования, слишком много рывков и наскоков. Поэтому я начал искать другую область исследований, где было бы больше места для моих локтей, к которой я мог бы приложить большую часть своих усилий, продолжая одновременно часть времени работать над черными дырами и другими проблемами. Стимулированный Вебером, я выбрал гравитационные волны.
Как и Вебер, я видел, что гравитационные волны как область исследований, являются ребенком с блестящим будущим. Вступая в эту область в пору ее детства, я мог получить удовольствие от ее развития, я мог бы заложить фундамент, на котором будут основываться потом другие, и я мог
Веберу было нужно сначала заложить экспериментальные основы: изобретение, конструкция и постепенное улучшение детекторов. Мне же нужны были теоретические основания: попробовать понять, что говорят законы Эйнштейна о том, как получаются гравитационные волны, какую отдачу вызывают они у их источников, как они распространяются; попытаться выяснить, какие виды астрономических объектов могут генерировать самые сильные во Вселенной волны, насколько сильными они могут быть и с какими частотами они будут колебаться; изобрести математические инструменты для расчета деталей закодированных в волнах симфоний, исполняемых этими объектами, чтобы к тому времени, когда Вебер или другие, наконец, обнаружат волны, можно было сравнить теорию с экспериментом.
* * *
В 1969 г. я провел по приглашению Зельдовича шесть недель в Москве. В один из дней Зельдович сделал перерыв в бомбардировке меня и других новыми идеями (главы 7 и 12) и отвез меня в Московский университет, чтобы представить молодому физику-экспериментатору Владимиру Брагинскому. Брагинский, стимулированный результатами Вебера, в течение нескольких лет занимался разработкой техники детектирования гравитационных волн: он был первым экспериментатором после Вебера, вступившим в эту область. Он также в это время проводил захватывающий эксперимент по поиску кварков (фундаментальных строительных блоков протонов и нейтронов) и эксперимент по проверке утверждения Эйнштейна, что все объекты, независимо от их природы и состава, падают в гравитационном поле с одним и тем же ускорением (утверждение, которое лежит в основе описания Эйнштейна гравитации как кривизны пространства).
Я был впечатлен. Брагинский был умен, глубок и имел великолепное чутье в физике; он был приветлив и открыт, мог также легко говорить о политике и о науке. Мы быстро стали близкими друзьями и научились уважать взгляды друг друга. Для меня, либерального демократа в американском спектре политических взглядов, свобода индивидуума была важнее всех других соображений. Ни одно правительство не должно иметь права диктовать кому-либо, как он должен жить. Для Брагинского, который был не доктринерским коммунистом, определяющей была ответственность индивидуума перед обществом. Мы отвечаем за своих собратьев и мы находимся в мире, где злодеи, такие как Иосиф Сталин, могут прийти к власти, если мы не будем бдительны.
Слева: Джозеф Вебер, Кип Торн и Тони Тайсон на конференции по гравитационному излучению в Варшаве, Польша, сентябрь 1975 г. Справа: Владимир Брагинский и Кип Торн в Пасадене, Калифорния, октябрь 1984 г. [Слева: фото Марека Хольцмана, предоставлено Анджеем Траутманом; справа: предоставлено Валентином Н. Руденко]
Брагинский предвидел то, до чего не додумался больше никто. Во время нашей встречи в 1969 г., а затем снова в 1971 и 1972 гг. он предупреждал меня, что используемые для поиска гравитационных волн твердотельные антенны имеют фундаментальное предельное ограничение. Как он заявлял, это ограничение исходит из законов квантовой механики. Хотя обычно мы думаем о квантовой механике, как о чем-то, что управляет поведением крошечных объектов, таких как электроны, атомы и молекулы, если мы будем проводить достаточно точные измерения колебаний антенны в одну тонну, мы увидим, что эти колебания тоже ведут себя квантовомеханическим образом, и это квантовомеханическое поведение, в конечном счете, вызовет проблемы в детектировании гравитационных волн. Брагинский убедился в этом, проведя расчеты предельной чувствительности пьезоэлектрических кристаллов Вебера и некоторых других видов датчиков, которые можно было бы использовать для измерения колебаний твердотельных антенн.