Пространственно временная рябь. Изучающие гравитационные волны астрономы наткнулись на золотую жилу

Физики на обсерватории LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) впервые гравитационные волны - возмущения пространства-времени, предсказанные сто лет назад создателем общей теории относительности Альбертом Эйнштейном. Об открытии в ходе прямой трансляции, организованной «Лентой.ру» и Московским государственным университетом (МГУ) имени М.В. Ломоносова, ученые физического факультета, участники международной коллаборации LIGO. «Лента.ру» побеседовала с одним из них, российским физиком Сергеем Вятчаниным.

Что такое гравитационные волны?

По закону всемирного тяготения Ньютона два тела притягиваются друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Эта теория описывает, например, вращение Земли и Луны в плоском пространстве и универсальном времени. Эйнштейн, разработав специальную теорию относительности, понял, что время и пространство - это одна субстанция, и предложил общую теорию относительности - теорию гравитации, основанную на том, что тяготение проявляется как кривизна пространства-времени, которую создает материя.

Доктор физико-математических наук Сергей Вятчанин с 2012 года возглавляет кафедру физики колебаний физического факультета МГУ. Научные интересы сосредоточены на изучении квантово-невозмущающих измерений, лазерных гравитационно-волновых антеннах, механизмах диссипации, фундаментальных шумах и нелинейных оптических эффектах. Ученый сотрудничал с Калифорнийским технологическим институтом в США и Обществом Макса Планка в Германии.

Можно представить упругий круг. Если бросить в него легкий шарик, он покатится по прямой. Если же в центр круга положить тяжелое яблоко, то траектория искривится. Из уравнений общей теории относительности Эйнштейн сразу получил, что возможны гравитационные волны. Но в то время считали (в начале ХХ века) эффект чрезвычайно слабым. Можно сказать, что гравитационные волны - это рябь пространства-времени. Плохо то, что это чрезвычайно слабое взаимодействие.

Если брать аналогичные (электромагнитные) волны, то там был опыт Герца, разместившего излучатель в одном углу комнаты, а приемник в другом. С гравитационными волнами так не получается. Слишком слабое взаимодействие. Остается полагаться только на астрофизические катастрофы.

Как работает гравитационная антенна?

Есть интерферометр Фабри-Перо, две массы, разнесенные на четыре километра. Расстояние между массами контролируется. Если волна падает сверху, то расстояние немного изменяется.

Гравитационное возмущение - это, по сути, искажение метрики?

Можно и так сказать. Математика это описывает как небольшое искривление пространства. Использовать лазер для обнаружения гравитационных волн в 1962 году предложили Герценштейн и Пустовойт. Это была такая советская статья, фантазия... Здорово, но все же полет фантазии. Американцы подумали и решили в 1990-х годах (Кип Торн, Роналд Древер и Рэйнер Вайс) сделать лазерную гравитационную антенну. Причем требуются две антенны, поскольку, если будут события, необходимо использовать схему совпадений. И тогда все началось. Это долгая история. Мы сотрудничаем с Калтехом с 1992 года, а на официальную договорную основу перешли в 1998 году.

Не кажется ли вам, что реальность гравитационных волн не вызывала сомнений?

В общем-то, научное сообщество было уверено в том, что они существуют, и обнаружить их - дело времени. Халсу и Тейлору присудили Нобелевскую премию за фактическое открытие гравитационных волн. Что они сделали? Есть двойные звезды - пульсары. Раз они крутятся, то излучают гравитационные волны. Наблюдать мы их не можем. Но если они излучают гравитационные волны, то отдают энергию. Значит, их вращение замедляется, как будто от трения. Звезды приближаются друг к другу, и можно увидеть изменение частоты. Они посмотрели - и увидели (в 1974 году - прим. «Ленты.ру» ). Это косвенное свидетельство существования гравитационных волн.

Сейчас - прямое?

Сейчас - прямое. Пришел сигнал, который зарегистрировали на двух детекторах.

Достоверность высокая?

Ее достаточно для открытия.

Каков вклад российских ученых в этот эксперимент?

Ключевой. В initial LIGO (раннем варианте антенны - прим. «Ленты.ру» ) использовались десятикилограммовые массы, и висели они на стальных нитях. Наш ученый Брагинский уже тогда высказал идею применения кварцевых нитей. Вышла работа, доказывавшая, что кварцевые нити «шумят» значительно меньше. И вот сейчас массы (в advanced LIGO, современной установке - прим. «Ленты.ру» ) висят на кварцевых нитях.

Второй вклад - экспериментальный и связан с зарядами. Массы, разнесенные на четыре километра, нужно как-то юстировать при помощи электростатических активаторов. Эта система лучше магнитной, которая использовалась ранее, но она чувствует заряд. В частности, каждую секунду через ладонь человека проходит огромное количество частиц - мюонов, которые могут оставить заряд. Сейчас с этой проблемой борются. Наша группа (Валерий Митрофанов и Леонид Прохоров) в этом экспериментально участвует и значительно поднаторела.

В начале 2000-х годов была идея использовать на advanced LIGO сапфировые нити, так как формально у сапфира добротность выше. Почему она важна? Чем выше добротность, тем меньше шум. Это общее правило. Наша группа посчитала так называемые термоупругие шумы и показала, что все же лучше использовать кварц, а не сапфир.

И еще. Чувствительность гравитационной антенны близка к квантовому пределу. Есть так называемый стандартный квантовый предел: если вы измеряете координату, то по принципу неопределенности Гейзенберга вы тут же ее и возмущаете. Если вы непрерывно измеряете координату, то вы все время ее возмущаете. Очень точно измерять координату нехорошо: будет большое обратное флуктуационное влияние. Это показал в 1968 году Брагинский. Подсчитали для LIGO. Оказалось, что для initial LIGO чувствительность выше стандартного квантового предела примерно в десять раз.

Сейчас есть надежда на то, что advanced LIGO дойдет до стандартного квантового предела. Может быть, опустится. Это вообще мечта. Можете себе это представить? У вас будет квантовый макроскопический прибор: две тяжелые массы на расстоянии четырех километров.

Гравитационные волны зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 05:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, расположенных в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон) в США. Детекторы LIGO обнаружили относительные колебания величиною в десять в минус 19 степени метров (это примерно равно отношению диаметра атома к диаметру яблока) пар разнесенных на четыре километра пробных масс. Возмущения порождены парой черных дыр (в 29 и 36 раз тяжелее Солнца) в последние доли секунды перед их слиянием в более массивный вращающийся гравитационный объект (в 62 раза тяжелее Солнца). За доли секунды три солнечных массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Слияние черных дыр произошло 1,3 миллиарда лет назад (столько времени гравитационное возмущение распространялось до Земли). Анализируя моменты прихода сигналов (детектор в Ливингстоне записал событие на семь миллисекунд раньше детектора в Хэнфорде), ученые предположили, что источник сигнала расположен в южном полушарии. Результаты ученые направили для публикации в журнал Physical Review Letters.

Такое на первый взгляд не очень совместимо.

Вот это и парадоксально. То есть получается фантастика. Вроде бы отдает шарлатанством, а на самом деле - нет, все честно. Но пока это мечты. Стандартный квантовый предел не достигнут. Там еще нужно работать и работать. Но уже видно, что это близко.

Есть надежда, что это случится?

Да. Нужно преодолевать стандартный квантовый предел, и наша группа участвовала в разработке методов того, как это сделать. Это так называемые квантовые невозмущающие измерения, какая конкретно схема измерений нужна - такая или иная... Ведь когда вы теоретически исследуете, расчеты ничего не стоят, а эксперимент - дорог. В LIGO достигнута точность десять в минус 19 степени метров.

Вспомним детский пример. Если мы уменьшим Землю до размеров апельсина, а затем его уменьшим во столько же раз, то получим размер атома. Так вот, если мы атом уменьшим во столько же раз, то мы получим десять в минус 19 степени метров. Это сумасшедшая вещь. Это достижение цивилизации.

Это очень важно, да. Так что означает для науки открытие гравитационных волн? Есть мнение, что это может изменить наблюдательные методы астрономии.

Что у нас есть? Астрономия в обычном диапазоне. Радиотелескопы, инфракрасные телескопы, рентгеновские обсерватории.

Все в электромагнитных диапазонах?

Да. Кроме того, есть нейтринные обсерватории. Есть регистрация космических частиц. Это еще один канал информации. Если гравитационная антенна будет выдавать астрофизическую информацию, то исследователи получат в свое распоряжение сразу несколько каналов наблюдения, по которым можно проверять теорию. Предложено множество космологических теорий, конкурирующих между собой. Можно будет что-то отсеять. Например, когда на Большом адронном коллайдере открыли бозон Хиггса, сразу отпало несколько теорий.

То есть это будет способствовать отбору работающих космологических моделей. Еще вопрос. Можно ли использовать гравитационную антенну для прецизионного измерения ускоренного расширения Вселенной?

Пока чувствительность очень мала.

А в перспективе?

В перспективе можно использовать и для измерения реликтового гравитационного фона. Но любой экспериментатор вам скажет: «Ай-я-яй!» То есть пока до этого далеко. Дай бог, чтобы мы зарегистрировали астрофизическую катастрофу.

Столкновение черных дыр...

Да. Ведь это же катастрофа. Не дай бог рядом там оказаться. Нас бы не было. А здесь - фончик такой... Пока... «надежды юношей питают, отраду старцам подают».

Может ли служить открытие гравитационных волн еще одним подтверждением существования черных дыр? Ведь встречаются еще те, кто не верит, что они есть.

Да. Как работают в LIGO? Идет запись сигнала, для объяснения которого ученые разрабатывают шаблоны и сравнивают их с данными наблюдений. Столкновение нейтронных звезд, нейтронная звезда падает на черную дыру, взрыв сверхновой, черная дыра сливается с черной дырой... Будем менять параметры, например соотношение масс, начальный момент... Что мы должны увидеть? Идет запись, и в момент сигнала оценивается работоспособность шаблонов. Если шаблон, разработанный для столкновения двух черных дыр, подошел к сигналу, то это - доказательство. Но не абсолютное.

Лучшего объяснения нет? Открытие гравитационных волн проще всего объясняется столкновением черных дыр?

На данный момент - да. Сейчас научное сообщество считает, что это было слияние черных дыр. Но коллективное сообщество - это мнение многих, консенсус. Конечно, если возникнут какие-то новые факторы, от него можно отказаться.

Когда удастся зарегистрировать гравитационные волны не от столь массивных объектов? Не означает ли это, что нужно строить новые и более чувствительные обсерватории?

Есть программа следующего поколения LIGO. Это - второе. Будет третье. Там очень много вариантов. Можно увеличивать расстояние, увеличивать мощность, подвес. Сейчас все это обсуждается. На уровне мозгового штурма. Если будет подтверждаться наблюдение гравитационного сигнала, то будет легче получить деньги на усовершенствование обсерватории.

Ожидается бум строительства гравитационных обсерваторий?

Не знаю. Это дорогое удовольствие (LIGO обошлось примерно в 370 миллионов долларов - прим. «Ленты.ру» ). Ведь американцы предложили Австралии построить в Южном полушарии антенну и согласились для этого предоставить все оборудование. Австралия отказалась. Слишком дорогая игрушка. Содержание обсерватории заняло бы весь научный бюджет страны.

Россия принимает финансовое участие в LIGO?

Мы сотрудничаем с американцами. Что дальше будет - непонятно. Пока у нас отношения с учеными хорошие, но политики же всем правят... Поэтому нужно смотреть. Они нас ценят. Мы выдаем результаты действительно на уровне. Но не они же решают, дружить с Россией или нет.

К сожалению, да.

Это жизнь, подождем.

Обсерватория LIGO финансируется Национальным научным фондом США. Исследования в LIGO проводятся в рамках одноименной коллаборации более чем тысячей ученых из США и 14 других стран, включая Россию, представленную двумя группами из МГУ и Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород).

В России не планируется строительство гравитационной обсерватории?

Пока не планируется. В 1980-х годах в Государственном астрономическом институте имени Штернберга МГУ хотели построить в Баксанском ущелье такую же гравитационную антенну, только в меньшем масштабе. Но пришла перестройка, и все надолго накрылось медным тазом. Сейчас ГАИШ МГУ пытается что-то сделать, но пока антенна не заработала...

Что еще можно попробовать проверить при помощи гравитационной антенны?

Справедливость теории гравитации. Ведь большинство существующих теорий основаны на теории Эйнштейна.

Ее никто до сих пор не может опровергнуть.

Она занимает лидирующее положение. Альтернативные теории устроены так, что в основном приводят к тем же экспериментальным следствиям, что и она. И это естественно. Поэтому нужны новые факты, которые бы отметали неверные теории.

Кратко как бы вы сформулировали значение открытия?

Фактически началась гравитационная астрономия. И впервые волны кривизны пространства попались на крючок. Не косвенно, а прямо. Человек восторгается собой: ай да я, ай да сукин сын!

Много лет назад существование гравитационных волн предсказал Альберт Эйнштейн.

Примерно через столетие эту рябь в ткани пространства-времени наконец-то сумели обнаружить.

Но почему этот прорыв в науке настолько важен. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно привести 10 фактов о гравитационных волнах:

1. Возможность путешествия во времени

Поклонники научной фантастики во всем мире пришли в восторг, когда существование гравитационных волн было подтверждено. Особый повод для радости вызвал тот факт, что частично уравнения специальной теории относительности Эйнштейна, которая основана на существовании гравитационных волн, доказывают возможность путешествий во времени. Научное сообщество подчеркнуло, что человечество все еще далеко от путешествий во времени, однако если теория верна, то подобное - вопрос времени.

«Еще есть много, в чем нужно разобраться, - сказал председатель отделения астрофизики Принстонского университета. Но общие уравнения относительности говорят, что частицы отрицательной массы и устойчивые червоточины позволяют путешествовать во времени». Далее он уточнил, что истинное путешествие во времени может все же оказаться вне пределов человеческого понимания.

2. Подтверждение локальности

Следующим значительным фактом, который подтверждает существование гравитационных волн, является теория локальности. Локальность - это теория в физике, в которой говорится, что на объект влияет только его непосредственное окружение. Это кажется достаточно очевидным в квантовую эпоху (хотя эксперименты Белла показали, что квантово запутанные частицы нарушают этот принцип), однако в ньютоновские времена было общепризнано, что гравитация ведет себя по-другому.

Учение Ньютона о силе тяжести заключалось в том, что последствия изменения массы объекта мгновенно могут вызвать изменения в гравитационной силе во всей Вселенной. С точки зрения эйнштейновской теории, это означало бы, что гравитационные волны движутся быстрее скорости света.

Ньютон сам с недоверием относился к этой теории, поскольку подобное означало бы, что сила тяжести способна распространяться без такой среды, как воздух. Существование гравитационных волн доказывает, что Ньютон был прав, усомнившись в собственной идее нелокальности, поскольку гравитационные волны перемещаются через фундаментальные частицы, называемые гравитацией, и они движутся со скоростью света.

3. Близнецы во Вселенной

Объединение двух черных дыр в супермассивную черную дыру - это то, что уже давно теоретизировалось, но никогда не было доказано... до тех пор, пока пара ученых, вооруженных сверхчувствительным оборудованием не заявили, что такое событие произошло 1,3 миллиарда лет назад. Без ответа, правда, остался вопрос о том, как эти две черные дыры оказались достаточно близко друг от друга, чтобы слиться.

Преобладающая теория гласит, что они родились в результате коллапса одной звезды (черные дыры образуются, когда звезда взрывается, превращаясь в сверхновую). Ранее не было доказательств того, может ли одна сверхновая генерировать две черные дыры, но благодаря данным анализа гравитационных волн, можно изучать новые теории, подобные этой.

4. Новый взгляд на Вселенную

Теперь, когда человечество может обнаружить гравитационные волны, у ученых есть совершенно новый способ изучения Вселенной. До сих пор способность ученых исследовать, что происходит в глубинах космоса, ограничивалась анализом электромагнитных волн, таких как свет и радиоволны, которые проходят через космос.

Этот метод анализа ограничен, поскольку черные дыры не излучают свет, и если электромагнитные волны приближаются достаточно близко к черной дыре, они огибают ее. Гравитационные волны невосприимчивы к этой проблеме, и поэтому ученые теперь могут анализировать данные, которые поступают непосредственно из черных дыр.

5. Новые виды оружия

Ни для кого не является секретом, что человечество любит оружие. С каждым новым открытием ученых, один из первых вопросов - «можно ли использовать это открытие в качестве оружия». К счастью, астрофизики быстро указали, что идея использовать гравитационные волны для создания межзвездных кораблей - это абсолютная чушь, равно как и идея превратить их в оружие.

Но это не помешало Разведывательному управлению Министерства обороны США сформировать комиссию для изучения идеи о том, могут ли высокочастотные гравитационные волны представлять угрозу безопасности США.

6. Более продвинутые LIGO

Сегодня существует новый любимый способ изучать Вселенную, кроме телескопов. Обычные методы изучения космоса включают в себя анализ различных форм электромагнитного излучения при его движении в космосе. Основная проблема использования электромагнитных волн для изучения космоса заключается в том, что они часто искажаются, прежде чем достигают Земли.

Но это не проблема для гравитационных волн, которые можно обнаружить с помощью лавинного интерферографа в лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваториях (LIGO). В настоящее время для анализа гравитационных волн существует только две обсерватории LIGO.

Это связано с тем, что они крайне дорогие (к примеру, обслуживание американской LIGO в течение 40 лет будет стоить более 1,1 млрд. долларов), а также их строили в качестве научного эксперимента, основанного на недоказанной теории. С подтверждением существования гравитационных волн правительства будут более охотно тратить деньги на разработку новых и более продвинутых LIGO.

7. Новая технология связи

С древних времен электромагнитные волны были предпочтительным средством общения. Люди использовали дымовые сигналы, телефоны и радиоприемники. Электромагнитные волны - отличный способ общения, потому что они распространяются со скоростью света и способны покрывать большие расстояния.

Единственные недостатки, которые обнаружились при использовании электромагнитных волн для коммуникации, - это то, что они легко поглощаются любым веществом. Гравитационные волны решают эту проблему, потому что они состоят из частиц настолько крошечных, что они проходят через любое вещество без малейших усилий.

Отсутствие проблемы «прямой видимости» при использовании гравитационных волн значительно сократило бы потребность в периферийных устройствах, таких как спутники и релейные станции, что значительно снизило бы затраты на связь. Единственный недостаток заключается в том, что гравитационные волны очень сложно сгенерировать, а обнаружить их еще сложнее.

8. Различные гравитационные волны

Гравитационные волны, о которых идет речь в этой статье, - «рябь» в пространстве и времени. Они могут распространяться через пустоту космоса со скоростью света. Также есть понятие гравитационных волн в гидродинамике - это явление, которое возникает в жидкости. Оно представляет собой разновидность волн на поверхности жидкости, при которых сила тяжести возвращает деформированную поверхность жидкости к состоянию равновесия.

9. Предсказания Эйнштейна

Сегодня уже общеизвестным является то, что подавляющее большинство предсказаний Эйнштейна оказались правильными. А особенно уникальным при этом является то, что Эйнштейн был почти полностью физиком-теоретиком. В то время как большинство ученых полагаются на сложные эксперименты, чтобы доказать что-либо, Эйнштейн просто выдвигал теории, которые доказывали другие люди, когда для этого появлялись соответствующие технологии.

Впервые предсказания Эйнштейна о кривизне пространства и времени были подтверждены в 1919 году, через 14 лет после публикации его специальной теории относительности. В ней ученый предсказал, что видимый свет от звезд будет изгибаться вокруг Солнца. Астрономы со скептицизмом относились к этому, однако, когда произошло солнечное затмение 1919 года, они увидели это в свои телескопы.

10. Бесполезны для обычного человека

И самое важное, что нужно знать о гравитационных волнах. Хотя еще одна из теорий Эйнштейна доказала свою верность, в этом абсолютно ничего нового. Ученые убедились, что гравитационные волны существуют на самом деле.

Но они существовали в течение миллиардов лет до появления человечества и будут существовать после его исчезновения. У ученых действительно есть повод радоваться, но что означают гравитационные волны для среднестатистического человека. Абсолютно ничего.

В середине февраля этого года члены международной коллаборации LIGO, объединяющей сотни ученых из семнадцати стран, в том числе из России, объявили о первой прямой регистрации гравитационных волн, испущенных двумя сливающимися черными дырами общей массой более 60 солнц 1,3 млрд лет назад. Это научное событие без преувеличения космического масштаба, и произошло оно в минувшем сентябре в лазерной гравитационно-волновой обсерватории-интерферометре LIGO (США). За подробным комментарием мы обратились к заведующему лабораторией теоретической физики Института электрофизики УрО РАН академику Михаилу Садовскому.

- Уважаемый Михаил Виссарионович, для начала объясните дилетанту, что такое гравитационная волна?

Представьте четыре шарика, подвешенные крест-накрест. Если произойдет гравитационное возмущение, два шарика отклонятся друг от друга на определенное расстояние, а другие два одновременно с этим устремятся навстречу друг другу; в следующей фазе волны их движение будет противоположным. В итоге под действием гравитационной волны все четыре шарика начнут синхронно колебаться. Но это воображаемый эксперимент. В повседневной жизни никто не чувствует и не наблюдает гравитационные волны, они ни на что не оказывают влияния, потому что гравитационные взаимодействия очень слабы по сравнению, например, с электромагнитными. И хотя большинство физиков-теоретиков никогда не сомневались в существовании гравитационных волн, задача их экспериментальной регистрации в земных условиях представлялась очень сложной. Оставалось надеяться на космос - там происходят мощные гравитационные возмущения, и вызванные ими волны могут дойти до Земли.

- Значит, нынешнее открытие неожиданным назвать нельзя?

Существование гравитационных волн было теоретически предсказано Альбертом Эйнштейном ровно 100 лет назад в его статье 1916 года. Это естественно следовало из общей теории относительности, или сов­ременной теории гравитации. Если существуют электромагнитные волны, то должны иметь место и гравитационные возмущения, которые распространяются в виде волн со скоростью света и локально изменяют геометрию пространства и времени. Предсказание о существовании гравитационных волн позволило, например, объяснить изменение темпов сближения тесных систем двойных звезд.

Впервые задачу прямой регистрации гравитационных эффектов попытался решить еще в 1960-годы американский физик Джозеф Вебер. Он разработал первые детекторы - два массивных алюминиевых ци­линдра, подвешенных на большом расстоянии друг от друга. По мысли Вебера, большая гравитационная волна заставит их колебаться в унисон, и таким образом ее прохождение можно будет зарегистрировать. В 1968 году он объявил о регистрации гравитационных волн на своих детекторах, но результаты его экспериментов были подвергнуты сомнению другими исследователями. К сожалению, до нынешнего триумфа основанного им направления Джозеф Вебер не дожил. Впрочем, вклад ученого в гравитационно-волновую астрономию научным сообществом признан.

- А наши соотечественники предпринимали попытки зарегистрировать гравитационные волны?

В СССР и России пионером грави­тационно-волновых исследований стал член-корреспондент РАН Владимир Брагинский . Он скептически относился к опытам Вебера, считая, что такими детекторами ничего зарегистрировать нельзя, но продолжал работать в этом направлении.

Схема, реализованная в нынешнем эксперименте, была предложена также отечественными учеными - профессором Михаилом Герценштейном и академиком Владиславом Пустовойтом в статье, опубликованной в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» за 1962 год. Схема эта достаточно проста. Она построена на интерферометре Майкельсона, принцип действия которого заключается в следующем: пучок света из источника направляется к зеркалу, расположенному от него на некотором расстоянии, отражается от зеркала и возвращается обратно, а второй световой сигнал пускается в перпендикулярном направлении, он также отражается от зеркала и возвращается. В точке пересечения световых сигналов на детекторах можно посмотреть картину интерференции. В случае прохождения гравитационной волны зеркала начинают синхронно дрожать, и картина интерференции меняется. Благодаря тому, что оптика - наука очень точная, появляется возможность зафиксировать даже очень слабый гравитационный эффект.

- Интерферометр, где было совершено сенсационное открытие, работает на этом принципе?

Да. Обсерватория LIGO состоит из двух установок: одна размещена в Хэнфорде, штат Вашингтон, другая - в Ливингстоне, штат Луизиана, на расстоянии около 3 тыс. километров. У каждого интерферометра два «плеча» длиной по 4 км, расположенные перпендикулярно друг другу. Это трубы, внутри которых пускается лазерный луч. Если придет гравитационная волна, то в обоих интерферометрах на детекторе в точке пересечения лучей синхронно должна возникнуть характерная картина интерференции.

Инициаторами проекта LIGO в 1980-е годы стали профессора Калифорнийского технологического института Кип Торн (кстати, один из авторов сценария к космическому боевику «Интерстеллар») и Рональд Дривер , а также профессор Массачусетского технологического института Райнер Вайсс .
В списке участников международной коллаборации, насчитывающем более 200 человек, есть наши соотечественники, в том числе уже названный член-корреспондент Владимир Брагинский, профессор Валерий Митрофанов (МГУ), члены-корреспонденты Александр Сергеев и Ефим Хазанов (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород) и другие исследователи.

Работа российских участников проекта частично была поддержана грантами РФФИ. К сожалению, нелепые условия предоставления грантов, принятые в Российском научном фонде, полностью исключают поддержку такого рода коллективных исследований. Так, по правилам фонда, работа, профинансированная РНФ, не может быть поддержана никакими другими фондами и грантами. Требование это сколь жесткое, столь и неконструктивное. Ведь любой крупный научный проект, тем более международный, получает поддержку десятков различных фондов, и коллаборация LIGO тому пример.

Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Общая стоимость проекта - около 620 млн долларов

Между тем проект LIGO весьма дорогостоящий. Строительство обсерватории обошлось в 300 млн долларов плюс расходы на эксплуатацию и модернизацию. LIGO был запущен в 2002 году и работал до 2010-го. Однако в тот период гравитационные волны зарегистрировать не удалось, фиксировались лишь различные шумы. Затем интерферометр был остановлен для модернизации. Аналогичный LIGO интерферометр Virgo с трехкилометровыми плечами начал работать в 2007 году в Италии, неподалеку от Пизы. С 2011 года он проходит модернизацию, и во второй половине нынешнего должен быть запущен снова. А усовершенствованный комплекс Advanced LIGO приступил к работе в начале осени 2015 года.

- Получается, открытие произошло вскоре после запуска?

Именно так. 14 сентября на детекторе LIGO был зарегистрирован сигнал, который выглядел «подозрительно» с точки зрения наблюдения гравитационных волн. Изменения интерференционной картины полностью соответствовали расчетам, которые участники коллаборации произвели заранее на случай гравитационного возмущения. Это было именно то, что должно было быть при прохождении гравитационной волны, возникшей при столкновении двух черных дыр - массивных звезд, находящихся на последней стадии жизни, «весом» 29 и 36 масс Солнца. В результате космического катаклизма образовалась черная дыра в 62 солнечные массы, а энергия трех солнечных масс перешла в гравитационное излучение, которое через 1,3 млрд световых лет дошло до нас. Если бы к моменту фиксации интерферометр Virgo уже функционировал, можно было бы определить, откуда пришла гравитационная волна. В этот раз сделать это не удалось, но ученые надеются, что удастся в будущем, когда LIGO и Virgo будут работать параллельно.

- И, наконец, несколько слов о значении события…

Обнаружение таких «тяжелых» черных дыр - само по себе серьезное открытие в астрономии. А прямая регистрация гравитационных волн - это по существу рождение нового научного направления, гравитационно-волновой астрономии. Исследуя гравитационные эффекты, мы, вероятно, сможем заглянуть в самые ранние периоды формирования Вселенной. Ведь из самых ранних стадий эволюции «огненного шара», возникшего в результате Большого взрыва, световые сигналы не проходят, а гравитационные волны, излученные на этом этапе расширения Вселенной, могут до нас дойти. Замечательно и то обстоятельство, что общая теория относительности теперь практически окончательно экспериментально проверена на классическом (не квантовом) уровне и действительно очень точно описывает гравитацию. Так что состоявшееся открытие стало ярким «подарком» к столетнему юбилею этой теории.

О практическом смысле регистрации гравитационных волн пока говорить, конечно, сложно, но не исключено, что в будущем он обнаружится. В начале XX века ведь никто не мог предположить, что, к примеру, сов­ременные GPS-навигаторы будут правильно определять ваше местоположение только с учетом эффектов общей теории относительности. А гравитационно-волновая астрономия, по-видимому, уже совсем не за горами.

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал

Что увидели детекторы LIGO

Как, глядя на рисунок, самому прикинуть массу слившихся черных дыр и расстояние до них
Надо оценить период вращения сливающихся объектов в последний момент. Смотрим на рисунок и видим, что расстояние между последними пиками примерно в десять раз меньше, чем между рисками, то есть где-то 5 миллисекунд. Это полпериода вращения еще сильно деформированной черной дыры. С какой линейной скоростью вращается ее поверхность? Сравнимой со скоростью света, но меньше, примерно треть (предельная керровская дыра) — независимо от размера.

Тогда полуокружность вращения будет примерно 500 км, делим на?, получаем радиус 170 км. Радиус черной дыры солнечной массы — 3 км, значит, масса системы — около 60 солнечных. На самом деле — 62. Поразительная точность, особенно если учесть, что время между пиками мы прикидывали на глазок.

Теперь попробуем оценить расстояние. Это чуть сложней. Амплитуда гравитационной волны (относительная деформация пространства) обратно пропорциональна расстоянию до источника. В источнике деформация огромна, ну не единица, конечно, но 0,1 — вполне реально (расчеты дают именно такой порядок величины). Мы имеем у себя 10-21 (см. единицы по вертикальной оси), значит, мы находимся примерно в 1020 раз дальше от источника, чем его размер — 170 км (см. выше). Получаем 1,7 x 107 см x 1020 = 1,7 x 1027 см = 0,6 гигапарсека (на самом деле 0,4 гигапарсека). Опять замечательное попадание при том, что есть еще неопределенность в ориентации экваториальной плоскости системы относительно луча зрения.

Глядя на рябь в ткани пространства-времени, ученые надеются вскоре обнаружить «странные звезды» - объекты, созданные из принципиально других частиц, из которых не состоит обычная материя. Протоны и нейтроны, составляющие ядро атома, состоят из

Глядя на рябь в ткани пространства-времени, ученые надеются вскоре обнаружить «странные звезды» - объекты, созданные из принципиально других частиц, из которых не состоит обычная материя.

Протоны и нейтроны, составляющие ядро атома, состоят из нескольких основных частиц, известных как кварки. Есть шесть типов, или «ароматов», кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Каждый протон или нейтрон состоит из трех кварков: протон из двух верхних кварков и одного нижнего; нейтрон из двух нижних и одного верхнего.

В теории материя может состоять из кварков других ароматов. С 1970-х годов ученые предполагают, что частицы «странной материи», известные как страпельки, состоящие из равного количества верхних, нижних и странных кварков, могут существовать. В принципе, странная материя должна быть тяжелее и более стабильна, чем обычная, также она может превращать обычную материю, с которой вступает в контакт, в странную материю. Однако лабораторные эксперименты пока не создали никакой странной материи, поэтому ее существование остается под вопросом.

Одно из мест, в котором странная материя может появляться естественным путем, может быть внутренность нейтронных звезд, останков звезд, которые умирают в катастрофическом взрыве сверхновой. Нейтронные звезды, как правило, небольшие - в пределах 19 километров или около того - но настолько плотные, что их вес соизмерим с солнечным. Кусок нейтронной звезды размером с кубик сахара может весить 100 миллионов тонн.

Под действием чрезвычайной силы этого экстремального веса некоторые из верхних и нижних кварков, составляющих нейтронную звезду, могут преобразовываться в странные кварки, а значит, и в странные звезды, состоящие из странной материи, считают ученые.

Странная звезда, состоящая из странной материи, может быстро превратить в странную звезду и нейтронную звезду, вращающуюся в двоичной системе звезд. Исследования показали, что нейтронная звезда, получившая семя странной материи от компаньона, странной звезды, может стать странной звездой всего за 1 миллисекунду.

Теперь исследователи предполагают, что могут обнаружить странные звезды, наблюдая за гравитационными волнами - невидимой рябью пространства-времени, впервые предположенной Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности.

Гравитационные волны излучаются за счет ускорения масс. По-настоящему большие гравитационные волны излучаются очень и очень большими массами, к примеру, нейтронными звездами, которые сливаются воедино.

Пары странных звезд должны испускать гравитационные волны, которые будут отличаться от тех, что испускают «нормальные» нейтронные звезды, потому что странные звезды должны быть более компактными, по мнению ученых. К примеру, нейтронная звезда с массой в одну пятую солнечной будет более 30 километров в диаметре, тогда как странная звезда с такой же массой будет максимум 10 километров в поперечнике.

Ученые предполагают, что события, связанные со странными звездами, должны объяснить два коротких гамма-всплеска - гигантских взрывов длительностью менее 2 секунд - замеченных в глубоком космосе в 2005 и 2007 годах. Обсерватория LIGO не зафиксировала гравитационные волны от этих событий (GRB 051103 и GRB 070201).

Слияние нейтронных звезд подходит в качестве объяснения коротких гамма-всплесков, но тогда LIGO должна была зафиксировать гравитационные волны этих слияний. Однако, если в оба события были вовлечены странные звезды, LIGO не обнаружила бы никаких гравитационных волн, отмечают ученые. Чем компактнее звезда в двойной системе звезд, тем выше будет частота гравитационных волн.

В будущем ученые надеются обнаружить события слияний странных звезд. Используя продвинутый вариант обсерватории LIGO (aLIGO), которая заработает в 2015 году, ученые планируют обнаружить порядка 0,13 слияний нейтронных звезд со странными звездами в год, или одно слияние раз в семь лет. Используя телескоп Эйнштейна, который в настоящее время разрабатывается в Евросоюзе, ученые смогут фиксировать до 700 таких событий в год, или по два в день.

Есть также шанс того, что ученые пересмотрят данные LIGO о событиях 2005 и 2007 годов и найдут признаки участия странных звезд.

«Возможность повторного анализа сигналов LIGO GRB 070201 и GRB 051103, принимая во внимание некоторые возможные случаи с участием странных звезд, весьма интересна», - рассказал ведущий автор работы, астрофизик Педро Моралес, ресурсу Space.com. Вместе с коллегой Освальдо Миранда Моралес опубликовал свои выводы в недавнем выпуске журнала Monthly Notices.

Аня Грушина

Темпоральные, или временны́е, кристаллы - новая идея в физике, широко обсуждаемая в последние годы. Они представляют собой физические системы, «сами по себе» повторяющиеся во времени. Несмотря на экзотичность концепции, исследователи уже прикидывают возможные области применения идеи и ищут наиболее удачные «рецепты» приготовления «кристаллического времени».

Франк Вильчек, нобелевский лауреат 2004 года и автор концепции временно"го кристалла. Фото: Kenneth C. Zirkel/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0.

«Рецепт» темпорального кристалла из эксперимента Кристофера Монро: лазерное излучение, показанное оранжевой и зелёной стрелками, переворачивает магнитные моменты (спины); лазерное излучение, показанное красной стрелкой, вносит беспорядок и вызывает взаимодействия между спинами. В результате система из спинов осциллирует между двумя стабильными состояниями, которые устойчивы к изменениям в частоте накачки.

Красота законов природы идёт рука об руку с симметрией. Строго говоря, симметрия в физике подразумевает то, что некоторое свойство остаётся неизменным при определённой трансформации: это может быть поворот или сдвиг в пространстве, зеркальное отражение. Проще говоря, как ни крути объект или Вселенную, законы физики не меняются. Симметрия может быть непрерывной и дискретной. Например, однородный шар можно поворачивать на любой угол - ничего не изменится. А вот куб «повторяет себя» только при повороте на определённый угол. Это примеры непрерывной и дискретной вращательной симметрии.

Интересная физика начинается там, где изменяется, а точнее, ломается симметрия. Скажем, кристалл менее симметричен, чем однородная жидкость, состоящая из тех же самых атомов, так что его можно рассматривать как нарушение пространственной симметрии. Атомы в нём находятся в узлах так называемой кристаллической решётки с чётко определёнными расстояниями и углами. Чтобы при движении в пространстве получить тот же самый кристалл, его нужно сдвинуть на чётко определённое расстояние (так называемую постоянную решётки - размер элементарной ячейки, повторением которой можно воспроизвести весь кристалл) или повернуть на соответствующий угол. Конкретные характеристики кристаллов напрямую зависят от того, как именно была нарушена симметрия: количество электронов на внешней оболочке атомов, магнитные моменты, температура - всё это влияет на взаимодействия между атомами и в конечном счёте определяет свойства материала. Физики давно изучают кристаллы и даже научились создавать похожие системы с помощью лазеров или микроволн, где роль узлов решётки могут играть не только атомы и электроны, но и фотоны или квазичастицы, например фононы. Симметрию среды нарушают также намагниченность и протекание электрического тока.

А вот дискретное нарушение временнoй, или темпоральной, симметрии (непрерывное течение времени только вперёд) - это пока что неизученная территория. Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии 2004 года, полученной за описание особенностей взаимодействия между кварками и глюонами, в 2012 году начал размышлять о том, почему временная симметрия никогда не нарушается спонтанно (то есть за счёт случайных взаимодействий между элементами системы) и реально ли создать условия, в которых это было бы возможным. В результате он придумал темпоральные кристаллы как способ нарушения временной симметрии.

Темпоральные кристаллы - это гипотетические структуры, которые пульсируют без затрат энергии, как механические часы, не требующие завода. Последовательность повторяется во времени, как атомы кристалла повторяются в пространстве. На первый взгляд темпоральный кристалл скорее напоминает о Мире Великого Кристалла фантаста Владислава Крапивина, чем о строгой физике, но у такой структуры могут быть веские физические основания для существования.

Одна из возможных реализаций темпорального кристалла представляет собой кольцо атомов, которое должно вращаться, регулярно возвращаясь в своё первоначальное состояние. Его свойства были бы вечно синхронизированы во времени, аналогично тому как взаимосвязано положение атомов в кристалле. По определению темпорального кристалла такая система должна находиться в состоянии с наименьшей энергией, чтобы движение не требовало поступления энергии извне. В некотором смысле темпоральный кристалл был бы вечным двигателем, за исключением того, что он не производил бы никакой полезной работы.

Научное сообщество в своём большинстве посчитало идею провокационной. Тем не менее Франк Вильчек стоял на своём, уверенный в том, что проблема хитрее, чем кажется на первый взгляд, и темпоральные кристаллы представляют собой новый тип упорядоченности. Более того, вечное движение имеет прецеденты в квантовом мире: теоретически сверхпроводники проводят электрический ток вечно (хотя поток в данном случае однороден и соответственно не изменяется во времени).

Парадокс темпорального кристалла заинтересовал Харуки Ватанабе, аспиранта Калифорнийского университета в Беркли. Когда он представлял свою работу о нарушении симметрии в пространстве, ему задали вопрос о следствиях идеи Вильчека о темпоральном кристалле. Ватанабе ответить не смог и решил разобраться в этом вопросе, сосредоточившись на корреляциях между удалёнными частями системы во времени и в пространстве. В 2015 году вместе с физиком Масаки Ошикава из университета Токио Ватанабе доказал теорему, согласно которой создание темпорального кристалла в состоянии с наименьшей энергией невозможно. Они также доказали, что темпоральные кристаллы невозможны для любой равновесной системы, достигшей устойчивого состояния при любом значении энергии.

На этом физическое сообщество посчитало вопрос существования темпоральных кристаллов закрытым. Тем не менее доказательство оставило лазейку. Оно не исключило возможность существования темпоральных кристаллов в системах, в которых ещё не установилось равновесие. И теоретики по всему миру начали думать о том, как можно создать альтернативные версии темпоральных кристаллов в обход теоремы.

Прорыв неожиданно пришёл из области физики, в которой исследователи совсем не думали на эту тему. Теоретик Шиваджи Сонди и его коллеги из университета Принстона изучали поведение изолированной квантовой системы, состоящей из «супа» взаимодействующих частиц, которую регулярно «подпинывали» энергетически. Если верить учебникам, то такая система должна нагреться и в итоге стать полностью хаотичной. Но группа Сонди показала, что при выполнении определённых условий частицы группируются вместе и образуют «узор», повторяющийся во времени.

Это исследование привлекло внимание Четана Наяка, одного из бывших студентов Вильчека. Наяк и его коллеги предположили, что странная неравновесная форма материи может быть разновидностью темпорального кристалла, хоть и не совсем такого, о котором изначально говорил Вильчек. Разница в том, что подобная система не находится в состоянии с наименьшей энергией и ей необходима подпитка энергией извне для поддержания пульсаций. Но такой «суп» обладает своим ритмом, отличным от частоты накачки, что фактически означает нарушение временной симметрии.

Кристофер Монро из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, несмотря на скептический настрой, тем не менее попробовал создать подобный темпоральный кристалл с помощью холодных атомов. Замысловатый «рецепт» содержит три основных ингредиента: силу, которая воздействует на систему, взаимодействие между атомами и элемент случайного беспорядка. Эта комбинация ограничивает частицы в количестве энергии, которую они могут поглотить, позволяя им оставаться в упорядоченном состоянии.

В эксперименте цепочку из десяти ионов иттербия поочерёдно освещали двумя лазерами. Первый лазер переворачивал магнитные моменты атомов, а второй заставлял их взаимодействовать между собой случайным образом. Это привело к колебаниям проекции магнитного момента системы с периодом в два раза больше периода лазерной подкачки спинов. Более того, даже если первый лазер сбивался с нужной частоты излучения, осцилляции в системе не изменялись. Как обычные кристаллы сопротивляются попыткам сдвинуть атомы с их позиций в кристаллической решётке, так и темпоральный кристалл сохранил свою периодичность во времени.

Группа физиков из Гарвардского университета под руководством Михаила Лукина (который также является соучредителем Российского квантового центра) пошла другим путём и реализовала темпоральный кристалл с помощью алмаза. Для этого был синтезирован специальный образец, содержащий порядка миллиона расположенных в беспорядке дефектов, каждый из которых обладал своим магнитным моментом. Когда такой кристалл подвергли воздействию импульсов микроволнового излучения для перевёртывания спинов, физики зафиксировали отклик системы на частоте, которая составила лишь долю частоты возбуждающего излучения.

Физик-теоретик Норман Яо, принявший участие в обоих экспериментах, подчёркивает, что системы в состоянии с наименьшей энергией по определению не должны изменяться во времени. В противном случае это бы значило, что у них есть лишняя энергия, которую они могут расходовать, и в конечном счёте движение должно остановиться. Результат экспериментов Яо сравнил со скакалкой: рука делает два оборота, а верёвка - только один, и это более слабое нарушение симметрии, чем изначально задуманное Вильчеком, который считал, что верёвка может колебаться сама по себе.

Результаты обоих экспериментов опубликованы в журнале «Nature» и, безусловно, интересны, но определение темпорального кристалла и в том и в другом случае можно считать немного притянутым за уши. Физики сошлись в том, что обе системы некоторым образом спонтанно нарушают временну́ю симметрию и поэтому удовлетворяют требованиям темпорального кристалла с математической точки зрения. Но можно ли их действительно считать таковыми - предмет научной дискуссии.

Темпоральные кристаллы получились у Монро и Лукина или нет, покажет время. В любом случае эти эксперименты интересны тем, что впервые продемонстрировали простейшие примеры новых фаз вещества в сравнительно неизученной области неравновесных состояний. Это новое состояние вещества состоит из группы квантовых частиц, которая непрерывно меняется, никогда не достигая стабильного состояния. Стабильность достигается за счёт случайных взаимодействий, которые бы нарушали равновесие в любом другом виде материи.

Более того, эти результаты могут иметь практическое значение. Темпоральные кристаллы могут пригодиться в роли суперточных сенсоров. Поведение магнитных моментов дефектов в алмазе уже используется для регистрации малейших изменений температуры и магнитных полей. Но такой подход имеет свои ограничения: когда слишком много дефектов «толпится» в маленьком объёме, взаимодействия между ними разрушают квантовые состояния. В темпоральном кристалле взаимодействия, наоборот, стабилизируют систему, поэтому миллионы дефектов можно использовать вместе для усиления сигнала. Это позволит исследовать, в частности, живые клетки и материалы атомарной толщины.

Другой пример применения таких систем - квантовые вычисления при достаточно высокой температуре. Квантовые компьютеры - многообещающая и долгожданная технология, которая пока далека от практической реализации. Дело в том, что хрупкие квантовые биты, которые производят вычисления, нужно изолировать от разрушающих квантовые состояния эффектов теплового движения и других «побочных эффектов» окружающей среды и в то же время иметь возможность кодировать и считывать с них информацию. Физики используют для этого очень низкие температуры, всего на наноградусы выше абсолютного нуля. Темпоральный кристалл по своей сути - это квантовая система, которая существует при существенно более высоких температурах. В случае алмаза Лукина - так вообще при комнатной температуре.

В интервью , которое можно прочитать в «Науке и жизни» № 12 за 2013 год, Михаил Лукин говорил именно о таких неожиданных практических «побочных эффектах» на первый взгляд совершенно фундаментальной науки. И возможно, именно фантастически звучащий концепт темпорального кристалла откроет дорогу к квантовым вычислениям без необходимости в сложной и дорогостоящей криогенике.