На прошедшей неделе физики всего мира с огромным энтузиазмом встретили сообщение об открытии предсказанных Эйнштейном гравитационных волн, которые зафиксированы участниками международной коллаборации исследователей, работающих на усовершенствованной установке лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory). Нашу страну в эксперименте представляют группа физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова и группа Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).
В потоке новостей не всегда находится место истории вопроса. Мы решили восполнить этот пробел и более подробно рассказать о российских корнях открытия.
Сегодня мало кто знает, что одним из идейных вдохновителей проекта был академик и нобелевский лауреат Виталий Гинзбург. По свидетельствам членов редколлегии журнала “Успехи физических наук” (УФН), Виталий Лазаревич очень поддерживал этот проект, постоянно интересовался им, привлекал авторов для написания статей по этой тематике.
— Один из первых больших обзоров в мировой научной литературе по практической возможности обнаружения гравитационных волн более полувека назад был подготовлен физиком из МГУ Владимиром Борисовичем Брагинским и опубликован в журнале “Успехи физических наук” в 1965 году. Его обзор до сих пор, возможно, одна из наиболее понятных и ясно написанных статей на эту тему, в нем даны ссылки на всех авторов теоретических идей и экспериментальных предложений (которые имелись на тот момент), — поделилась ответственный секретарь УФН кандидат физико-математических наук Мария Аксентьева.
Член-корреспондент РАН Владимир Брагинский, который до недавнего времени возглавлял упоминавшуюся группу ученых физического факультета МГУ, сыграл особую подвижническую роль в этом вопросе. Он верил в открытие и занимался этой проблемой даже тогда, когда никто особо не верил, что регистрацию гравитационных волн можно будет экспериментально осуществить на протяжении жизни одного поколения.
В 2003 году в телевизионной программе “Гордон”, посвященной гравитационным волнам, он вспоминал:
“В 1948 году, через 30 лет после публикации статьи Эйнштейна, замечательный советский физик Вадим Александрович Фок первым сказал: “Ребята, есть большие массы — астрофизические”. Он посчитал, что Юпитер излучает 400 ватт, правда, на очень длинных волнах. Потом была пауза, которая длилась лет 10. Люди стали систематически рассматривать, какие источники, подаренные природой, можно обнаружить. Потом открыли нейтронные звезды, которые имеют массу немного больше солнечной, но такие плотные, что могут уместиться в пределах Садового кольца.
Если выяснится, что нейтронные звезды могут приближаться друг к другу, сталкиваться, сливаться — это будет потрясающей силы источник. Вот это первая задача, которая возникла и стала более-менее ясно формулироваться в 1970-х годах… Параллельно экспериментаторы фантазировали: как же найти тот вид излучения, который на бумаге уже давно существует.
Было еще несколько этапов, но ключевым был этап, который связан с изобретением Мейманом лазера… В 1962 году, практически сразу после изобретения лазера, два хороших человека, хороших физика Миша Герценштейн и Слава Пустовойт сказали: “Нужно взять две массы и из них сделать антенну”. Почему? Из-за той же квадрупольной природы слабо происходит излучение и слабо происходит взаимодействие. Нет плюсов и минусов, значит, только на неоднородности можно поймать, обнаружить прохождение гравитационной волны. А гравитационная волна — это не что иное, как поле неоднородных ускорений. Когда она через нас проходит — мы удлиняемся в одном направлении, съеживаемся в другом, а потом в следующий полупериод — наоборот. Они сказали, что нужно использовать такую схему: нежно подвесить два зеркала, лазер, сделать расстояние между зеркалами таким, чтобы резонанс был равен целому числу полуволн, здесь поставить детектор. Это очень чувствительная игрушечка для измерения маленьких колебаний.
Потом примерно 6-7 лет была пауза. И наконец, с 1970 года в Технологическом институте и Университете города Глазго начались опыты в лабораторных условиях. Просто привыкали к зеркалам, привыкали к тому, что это не жесткая конструкция, как обычно в оптике, а они нежно, деликатно подвешены.
А в 1981 году три человека убедили Национальный научный фонд (NSF) США выделить довольно приличные деньги на то, чтобы сделать прототип антенны, основанный на этом принципе. Речь идет о Роне Дривере, Рэе Уайсе и Кипе Торне. Кип Торн, кстати сказать, член нашей Российской академии наук, почетный доктор МГУ”.
— Насколько я знаю, Виталий Лазаревич Гинзбург очень активно участвовал в продвижении этой идеи именно на этапе написания рекомендательных писем и воззваний в прессе в поддержку выделения средств на проведение этого эксперимента, объясняя его мировоззренческую важность для всего человечества, — свидетельствует Мария Аксентьева.
Из книги астрофизика, одного из основателей LIGO Кипа Торна “Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна” (1994 год), изданной на русском в 2007 году (благодаря редактору и издателю Ларисе Панюшкиной):
“В 1960-х никто серьезно не рассматривал потребность в таких точных измерениях, поскольку никто ясно не понимал, насколько слабы на самом деле гравитационные волны от черных дыр и других астрономических объектов. Но к середине 1970-х, подстрекаемые экспериментальным проектом Вебера, я и другие теоретики начали выяснять, насколько сильны могут быть самые сильные гравитационные волны. Ответ был 10-21, и это означало, что гравитационные волны заставят 2-метровую болванку колебаться с амплитудой всего 10-21 х (2 метра), или в миллион раз меньше диаметра атомного ядра. Если эти оценки были верны (а мы знали, что они были очень приблизительными), то сигнал гравитационной волны был бы в 10 раз меньше, чем стандартный квантовый предел Брагинского, и поэтому, возможно, вообще не мог быть обнаружен с помощью твердотельного детектора и любого из известных видов датчиков.
Хотя это было весьма тревожно, не все еще было потеряно. Глубокая интуиция Брагинского подсказала ему, что, если экспериментаторы будут особенно умны, они смогут обойти этот стандартный квантовый предел. Он спорил, что должен быть другой путь проектирования чувствительного датчика, такой, что непредсказуемый и неизбежный пинок не будет скрывать влияние гравитационных волн на антенну. Такой чувствительный датчик Брагинский назвал квантово-неразрушающим: “квантово”, потому что пинок датчика происходит согласно законам квантовой механики, “неразрушающим”, потому что чувствительный датчик делается так, чтобы пинок не разрушал то, что вы хотите измерить, — влияние гравитационных волн на твердотельный детектор. У Брагинского не было рабочей конструкции квантово-неразрушающего датчика, но его интуиция подсказывала ему, что такой детектор можно сделать.
Следующие два года моя группа в Калтехе и группа Брагинского в Москве пытались изобрести квантово-неразрушающий датчик.
Мы нашли ответ одновременно осенью 1977 года, но пришли к нему разными путями. Я живо помню мое возбуждение, когда идея пришла ко мне и Карлтону Кейвсу во время интенсивного обсуждения за завтраком в Сальном (студенческий кафетерий Калтеха). И я помню то горько-сладкое чувство, когда узнал, что Брагинский, Юрий Воронцов и Фарид Халили в значительной части нашли ту же идею в Москве в то же самое время. Горькое, поскольку я испытываю великое удовлетворение, когда оказываюсь первым в открытии чего-то нового, сладкое, потому что мне настолько нравится Брагинский, что я испытываю удовольствие, разделяя с ним честь открытия.
Наша полная идея квантово-неразрушающего измерения довольно абстрактна и позволяет разработать разнообразные датчики, преодолевающие стандартный квантовый предел Брагинского. Абстрактность идеи, однако, делает ее довольно сложной для объяснения, поэтому здесь я опишу только один (не очень практичный) пример квантово-неразрушающего детектора. Этот пример Брагинский назвал стробоскопическим детектором”.
Кип Торн пишет, что ключевой вопрос о возможности таких точных измерений (с квантовым неразрушающим датчиком) был решен Владимиром Брагинским и его коллегами с физфака МГУ Юрием Воронцовым и Фаридом Халили.
В 1980 году в журнале Science вышла статья В.Б.Брагинского, Ю.И.Воронцова, К.Торна “Quantum Nondemolition Measurements”. Торн отмечает, что именно в этой статье была изложена “полная идея” важнейшего принципиального решения, позволявшего надеяться экспериментально обнаружить гравитационные волны.
Возможно, публикация стала дополнительным аргументом для NSF выделить в 1981 году большие средства на этот эксперимент. И кстати, именно в 1981 году Виталий Гинзбург был избран в United States National Academy of Sciences, что в США добавляло дополнительный вес его рекомендациям.
Торн вспоминает:
“Мой энтузиазм и оптимизм вел меня, когда я боролся с собой одним ноябрьским вечером 1976 года, 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 и других участников, и после всего этого он все равно мог провалиться”.
Вот еще важная цитата из книги Торна:
“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 быть гораздо больше и сильнее, 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 действия привели к сильнейшим колебаниям. Он разрывался между возможностью работать с лучшими технологическими возможностями, которые он имел бы в Америке, и высочайшим мастерством техников в Москве (например, изощренное стеклодувное дело было почти утеряно в Америке). 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. В конце концов, он ответил отказом и рекомендовал Рональда Дривера из Университета Глазго.
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, Дривер настоял на радикально другом направлении. В Глазго он в течение пяти лет работал над твердотельными детекторами и мог ясно оценивать их ограничения. Он считал, что гораздо более обещающими были интерферометрические гравитационно-волновые детекторы (для краткости интерферометры)”.
— Примечательно, — говорит Мария Аксентьева, — что использовать для детектирования гравитационных волн интерферометры в простейшей форме предложили в 1962 году двое российских коллег Брагинского (Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт) и независимо от них в 1964 году — Джозеф Вебер. На оба эти предложения ссылается в обзоре 1965 года в УФН Брагинский, то есть первичная идея опять же имеет и наши отечественные корни.
“В 1969 году Райнер Вайс, не знавший об этих ранних предложениях, разработал более совершенную схему интерферометрического детектора и в 1970 году начал вместе со своей группой в Массачусетском технологическом институте (MIT) разрабатывать и строить такой детектор, — писал Кип Торн. — Такой же проект начал в Малибу (Калифорния) 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”.
— Если у интерферометров столько больших преимуществ перед твердотельными детекторами (гораздо большая полоса частот и гораздо лучшая чувствительность), почему же Брагинский, Вебер и другие не делали интерферометры? — задается вопросом Кип Торн и продолжает:
“Когда я спросил об этом в середине 1970-х Брагинского, он ответил, что твердотельные детекторы просты, а интерферометры пугающе сложны. Маленькая сплоченная команда, такая, как у него была в Москве, имела некоторый шанс сделать хорошо работающую твердотельную антенну и открыть гравитационные волны. Однако для разработки, отладки и успешной работы интерферометрического детектора требовалась гигантская команда и огромное количество денег”.
Десятью годами позже, когда накопилось достаточно свидетельств тому, что твердотельные детекторы не смогут достичь чувствительности 10-21, Брагинский посетил Калтех и был потрясен прогрессом, достигнутым с интерферометром командой Дривера. Он пришел к выводу, что, в конечном счете, с помощью интерферометров можно будет добиться успеха. Но огромная команда и большие денежные затраты были не для него, поэтому, вернувшись в Москву, он перенаправил большую часть работы своей команды на другие направления, далекие от детектирования гравитационных волн”. Торн отмечает, что Московская группа под руководством члена-корреспондента Российской академии наук В.Б.Брагинского внесла большой вклад в решение ряда важных задач в проекте (совершенствование подвеса пробных масс, исследование механических шумов, разработка новых методов квантово-неразрушающих измерений).
В 1999 году Виталий Гинзбург стал главным редактором УФН. Один из первых же заказанных им обзоров был вновь написан В.Б.Брагинским и назывался “Гравитационно-волновая астрономия: новые методы измерений” (2000 год).
В конце работы была фраза, которая свидетельствовала о том, что, возможно, не всё хорошо с финансированием этого (явно недешевого) проекта. Как бы мимоходом лишь косвенно упоминаются трудности с финансированием: “В заключение следует сказать, что все расходы за 20 лет работы проекта LIGO… составляют меньше четверти стоимости ядерной подводной лодки. А человечество продолжает изготавливать несколько таких лодок в год, которые, в отличие от LIGO, не могут сделать его мудрее”.
— Когда в этом же 2000 году мы занимались переводом книги Гинзбурга “О физике и астрофизике” (в англоязычном варианте — The Physics of a Lifetime) для издательства “Шпрингер”, то при очередной корректуре я увидела, что Виталий Лазаревич вставил ссылку на обзор Л.П.Грищука “Гравитационно-волновая астрономия: в ожидании первого зарегистрированного источника”, — вспоминает Мария Аксентьева. — Я проверила по УФН и не вижу такого обзора! Аккуратно спрашиваю ВЛ: “Может быть, он был опубликован в каком-то другом журнале?” “Да нет же, — отвечает он. — Но мы его опубликуем!” — “Как? Его же у нас и на рассмотрении пока нет?!!!” — “Ну, что вы, Марья Сергеевна, не волнуйтесь! Мне его Леонид Петрович Грищук обещал написать, а рассказывал на семинаре он это очень интересно! Это же будущее науки, новые горизонты! Я не могу это не упомянуть в книге!” Зная, какие редакторы-буквоеды работают в “Шпрингере”, я понимала, что “устная” ссылка в книге их не удовлетворит. Пришлось звонить Леониду Петровичу Грищуку со словами, что мне надо опубликовать этот их обзор в первом номере УФН 2001 года, причем первой статьей, так как это единственная точная ссылка, которую я могу дать с номером страницы (все последующие статьи будут располагаться на неизвестных мне страницах январского номера). Надо сказать, что Леонид Петрович со своими замечательными соавторами нас не подвели и блистательный обзор на тему горизонтов новой физики, которую открывает гравитационно-волновая астрономия, был у нас опубликован именно в первом номере за 2001 год. А Виталий Лазаревич Гинзбург при всяком удобном случае делал все возможное для поддержки работ в этом направлении.
Позднее, как вспоминает М.Аксентьева, Гинзбург не раз говорил и писал о том, что “у России нет сейчас финансовых возможностей для осуществления таких проектов самостоятельно”, поэтому необходимо участвовать в международных научных исследованиях. Эта мысль отражена в его статье “К истории журнала УФН”, опубликованной в 2009 году, где он говорит: “Нам (России) важно участвовать в таких больших международных проектах (как ITER, LHC, LIGO)”.
— Участвуя в этих проектах, российские ученые могут с полным правом разделить радость физиков всего мира в связи с экспериментальным обнаружением гравитационных волн, — заключает М.Аксентьева.
Подготовила
Светлана БЕЛЯЕВА
Фото из книги К.Торна
Нет комментариев