Кип Торн - Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

• Название: Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна
• Автор: Кип Торн
• Жанр: Физика
• Год: 2007

---

онных волн и дешифровки их симфоний когда-нибудь сотрут из нашей памяти все пережитые страдания и боль.

Первым резким поворотом на нашем болезненном пути был вынужденный союз почти под дулом пистолета команд Калтеха и MIT, каждая из которых состояла к тому времени примерно из 8 человек. Держал пистолет и требовал Ричард Айзексон из Национального научного фонда (NSF) США. Брак, в котором Калтех и MIT должны были вместе разрабатывать интерферометр, был платой за финансовую поддержку на деньги налогоплательщиков. Дривер (бешено сопротивлявшийся) и Вайс (с готовностью принявший неизбежность) принесли свои клятвы, а я стал советником этого союза, человеком, чьи обязанности заключались в том, чтобы искать компромисс, когда Дривер тянул в одном направлении, а Вайс — в другом. Это был тернистый союз, эмоционально истощающий всех, но постепенно мы стали работать вместе.

Второй резкий поворот произошел в ноябре 1986 г. Комитет, состоящий из выдающихся физиков-специалистов в тех областях технологии, которые нами использовались, и экспертов по организации и менеджменту больших научных проектов, скрупулезно изучил наши достижения и планы и доложил о них NSF. Наш прогресс был высоко оценен, высокой оценки заслужили также наши планы и перспективы на успех в детектировании и расшифровке гравитационных волн. Однако наша культура работы была признана ужасной, мы все еще были тесно привязаны к свободолюбивой культуре, в которой родились, а таким образом мы никогда не смогли бы добиться успеха — такое решение было доложено NSF. Тройка Дривер—Вайс—Торн должна была быть по решению комитета заменена единственным директором, который бы спаял талантливых индивидуалов в сплоченную и эффективную команду и мог бы организовать проект, принимая твердые и мудрые решения на каждой крупной развилке.

Опять появилось дуло пистолета. Если вы хотите, чтобы проект продолжался, сообщил нам Айзексон из NSF, вы должны найти такого директора и учиться работать с ним так же, как футбольная команда работает с великим тренером или как оркестр с великим дирижером.

Нам повезло. В середине нашего поиска был уволен Робби Вогт.

Вогт — блестящий физик-экспериментатор, обладающий волевым характером. Он возглавлял проекты создания и управления научными приборами космических аппаратов, руководил созданием гигантского астрономического интерферометра миллиметрового диапазона и реорганизовал структуру научных исследований в Лаборатории реактивного

Часть ученых из команд Калтех/МГТ, работавших над проектом LIGO в конце 1991 года. Слева: некоторые члены команды Калтеха, против часовой стрелки, начиная с правого верхнего угла: Аарон Гиллеспи, Фред Рааб, Мэгги Тейлор, Сейджи Кавамура, Робби Вогт, Рональд Дривер, Лайза Сивере, Алекс Абрамовичи, Боб Спиро, Майк Цукер. Справа: некоторые из членов команды М1Т, против часовой стрелки, начиная с верхнего правого угла: Джой Ковалик, Ярон Хефец, Нергиз Малвала, Райнер Вайс, Дэвид Шумейкер, Джой Джиайми. [Слева: предоставлено Кеном Роджерсом/Black Star; справа: предоставлено Эриком Л. Симмонсом]

движения (JPL) NASA, которая поддерживает большую часть исследовательских межпланетных космических программ США, а после этого стал проректором Калтеха. На этом посту Вогт, хотя и был чрезвычайно эффективен, постоянно сталкивался с президентом Калтеха Марвином Голдбергером в ожесточенных схватках по вопросам управления Калтеха. После нескольких лет битв Голдбергер его уволил. Вогт не мог по своему темпераменту работать под теми, с суждениями которых был в корне не согласен, но, будучи сверху, он был великолепен. Он был тем самым директором, дирижером и тренером, который нам был нужен. Если кто-то и мог спаять нас в сплоченную команду, то это был именно он.

«Вам будет тяжело работать с Робби, — сказал нам бывший член его команды, работавшей над интерферометром миллиметрового диапазона, — будут и раны, и обиды, но оно того стоит. Ваш проект будет ждать удача».

В течение нескольких месяцев Дривер, Вайс и я упрашивали Вогта стать директором. Наконец, он согласился, и, как и обещалось, шестью годами позже наша объединенная команда Калтеха и Массачусетса, набившая синяки и шишки, но эффективная, мощная и

сплоченная, быстро растет, подходя к критической численности (около 50 ученых и инженеров), требуемой для успеха проекта. Однако успех проекта зависит не только от нас. Согласно плану Вогта важный вклад в наши центральные усилия будет сделан и другими учеными94, которые, хотя и будут оставаться в слабой связи с нашей группой, смогут сохранить индивидуальный свободный стиль, от которого мы были вынуждены отказаться.

* 1е "к

Ключом к успеху наших усилий будет создание и работа национально научного комплекса, названного Лазерная Интерферометрическая Гравитационно-волновая Обсерватория, или LIGO (Laser Interferometer Gravitational- Wave Observatory). LIGO будет состоять из двух L-образных вакуумных систем, одна вблизи Хэнфорда, штат Вашингтон, а другая около Ливингстона в Луизиане, где физики будут создавать и использовать многие последовательные поколения постоянно улучшающихся интерферометров (см. рис. 10.8) 95.

Почему два объекта, а не один? Потому что лежащие на поверхности земли гравитационно-волновые детекторы всегда подвержены влиянию трудно учитываемых шумов, которые могут симулировать гравитационно-волновые всплески, например, струна, на которой подвешена масса, может по неизвестной причине немного скрипнуть, качнув массу и симулировать, тем самым, приливную силу волны. Однако такой шум почти никогда не может случиться одновременно в двух независимых, далеко разнесенных детекторах. Поэтому, чтобы быть уверенными, что наблюдаемый сигнал вызван гравитационными волнами, а не шумом, следует убедиться, что он появился одновременно в обоих детекторах.

При наличии только одного детектора обнаружение и слежение за гравитационными волнами невозможно.

Хотя для детектирования гравитационной волны достаточно двух детекторов, для полного декодирования симфонии волн, т. е. извлече-

10.8. Художественная концепция L-образной вакуумной системы и экспериментального корпуса в углу буквы «Ь» антенны LIGO около Хэнфорда. [Предоставлено проектом LIGO, Калифорнийский технологический институт]

ния всей содержащейся в ней информации, желательно иметь три, а лучше четыре таких сооружения, как можно дальше разнесенных друг от друга. Совместная франко-итальянская команда построит третью антенну, названную VIRGO96 около Пизы в Италии. VIRGO и LIGO вместе образуют международную сеть для извлечения полной информации из сигнала. Команды из Англии, Германии, Японии и Австралии изыскивают средства для создания дополнительных антенн, подключенных к этой сети.

Строительство такой амбициозной сети сооружений для обнаружения волн, которых никто и никогда не видел, может показаться слишком смелым. На самом деле, это не так смело, поскольку существование гравитационных волн уже было доказано в результате астрономических наблюдений, за что Джозеф Тейлор и Рассел Халс из Принстонского университета получили в 1993 г. Нобелевскую премию. Тейлор и Халс обнаружили с помощью радиотелескопа две нейтронные звезды, одна из которых является пульсаром, обращающиеся вокруг друг друга с периодом 8 часов, и с помощью исключительно тщательных радиоизмерений убедились, что звезды сближаются по спирали в точности с той скоростью (на 2,7 миллиардных частей в год), которую предсказывают законы Эйнштейна, учитывающие эффект отдачи излучаемых во Вселенную гравитационных волн. Кроме слабых толчков гравитационных волн ничто иное объяснить наблюдаемое спиральное сближение этих нейтронных звезд не может.

•к 1е *

Как будет выглядеть гравитационно-волновая астрономия в начале XXI века? Возможен такой сценарий:

К 2007 г. в полную силу работают восемь интерферометров, каждый длиной несколько километров. Они сканируют космос в поисках всплесков гравитационных волн. Две антенны работают в Пизе, в Италии, две в Ливингстоне, в Луизиане, на юго-востоке Соединенных Штатов, две в Хэнфорде в штате Вашингтон, на северо-западе Америки, и две в Японии. Из пары интерферометров на каждом месте один является «рабочей лошадкой», инструментом, который следит за колебаниями в диапазоне от 10 до 1000 Гц, а другой, только недавно разработанный и установленный, продвинутый «специальный» интерферометр, который обнаруживает колебания в диапазоне от 1000 до 3000 Гц.

Однажды на Землю приходит пакет гравитационных волн от удаленного космического источника. Каждый гребень волны сначала толкает массы детекторов в Японии, затем проходит сквозь Землю и достигает детекторов в Вашингтоне, а затем в Луизиане и, наконец, в Италии. В течение примерно минуты гребни волны сменяются провалами и наоборот. Массы каждого детектора слегка вздрагивают, изменяя длины путей лазерных пучков и, тем самым, меняя мощность света, падающего на фотодетекторы. Сигналы с восьми фотодиодов передаются через сеть на центральный компьютер, который извещает команду ученых о том, что на Землю прибыл еще один минутный всплеск гравитационных волн, уже третий на этой неделе. Компьютер объединяет сигналы с выходов восьми фотодетекторов, вычисляя четыре вещи: наиболее вероятное положение источника всплеска на небе, границы области ошибок, в которых заключено это наиболее вероятное положение, и две волноформы, две осциллирующие кривые, аналогичные тем, которые вы получите, если будете исследовать звук симфонии с помощью осциллографа. История источников закодирована именно в этих формах (рис. 10.9).