Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

Торн Кип

Разница между светом, с одной стороны, и радиоволнами и рентгеновскими лучами меркнет по сравнению с отличиями между электромагнитными волнами (видимым, инфракрасным, ультрафиолетовым светом, радиоволнами, рентгеновскими и гамма-лучами) современной астрономии и гравитационными волнами. Соответственно, гравитационные волны должны привести к революции в нашем понимании Вселенной даже большей, чем совершили радиоволны и рентгеновские лучи. Среди отличий между электромагнитными и гравитационными волнами и их следствиями можно отметить следующие [103] :

103

Эти отличия, их следствия и ожидаемые особенности гравитационных волн, приходящих

от разных астрофизических источников, были выяснены в результате работы множества теоретиков, в их числе Тибо Дамур из Парижа, Леонид Грищук из Москвы, Такаши Намура из Киото, Бернард Шуц из Уэльса, Стюарт Шапиро из Итаки, штат Нью-Йорк, Клиффорд Уилл из Сент-Луиса и я сам.

• Гравитационные волны должны сильнее всего излучаться крупномасштабными когерентными колебаниями кривизны пространства-времени (например, в результате столкновения и слияния двух черных дыр) и крупномасштабными перемещениями гигантских объемов материи (например, при схлопывании ядра звезды, вызывающим образование сверхновой, или при сближении по спирали двух обращающихся вокруг друг друга нейтронных звезд). Поэтому гравитационные волны должны показать нам движения гигантских масс и гигантские кривизны. В отличие от этого, космические электромагнитные волны обычно излучаются по отдельности, огромным числом отдельных и независимых атомов или электронов, и эти отдельные электромагнитные волны, каждая из которых колеблется немного иначе, затем накладываются друг на друга, образуя суммарную волну, которую и наблюдают астрономы. В результате, в первую очередь мы узнаем от электромагнитных волн о температуре, плотности и магнитных полях, под действием которых находятся излучающие атомы и электроны.

• Гравитационные волны сильнее всего излучаются областями пространства с такой сильной гравитацией, что в них не работает описание Ньютона, которое поэтому должно быть заменено описанием Эйнштейна, т. е. областями, в которых движутся, колеблются и сворачиваются с околосветовыми скоростями гигантские объемы материи и пространственно-временной кривизны. Примерами могут служить Большой взрыв, породивший нашу Вселенную, столкновения черных дыр и пульсации новообразованных нейтронных звезд в центре взрывов сверхновых. Поскольку эти области сильной гравитации обычно окружены плотными слоями вещества, поглощающего электромагнитные волны (но не поглощающего гравитационные), области с сильной гравитацией не могут нам их посылать. Электромагнитные волны, которые видят астрономы, следовательно, почти полностью приходят из областей со слабой гравитацией, где скорости невелики, например, с поверхностей звезд и сверхновых.

Эти отличия предполагают, что те объекты, симфонии которых нам хотелось бы изучить с помощью гравитационно-волновых детекторов, будут практически не видны в видимом свете, радиоволнах и рентгене, а объекты, которые астрономы изучают сейчас в световом, рентгеновском и радиодиапазонах, будут почти не видны с помощью гравитационных волн. Гравитационная Вселенная должна выглядеть абсолютно не так, как выглядит электромагнитная Вселенная; гравитационные волны должны научить нас тому, что мы никогда не узнаем от волн электромагнитных. Именно поэтому гравитационные волны должны вызвать революцию в наших представлениях о Вселенной.

Можно оспорить это утверждение, сославшись на то, что наше теперешнее, основанное на электромагнитных волнах понимание Вселенной настолько полнее того, что у нас было в 1930-х, что гравитационно-волновая революция не будет такой впечатляющей, как переворот, вызванный радио и рентгеновскими волнами.

Мне это кажется сомнительным. Я болезненно чувствую недостаточность нашего понимания, когда оцениваю печальное состояние сегодняшних оценок силы гравитационных волн, в которых купается Земля. Для каждого типа гравитационно-волновых источника, который когда-либо предлагался, за исключением, разве, слияния обычных двойных звезд, либо при заданном расстоянии сила гравитационного излучения имеет неопределенность на несколько порядков, либо также на несколько порядков различаются оценки частоты встречаемости таких источников (а тем самым, и возможное расстояние до ближайшего из них). Часто неопределенной является даже сама возможность существования таких источников.

Эти неопределенности вызывают значительные неудобства при планировании и разработке гравитационно-волновых детекторов. Это отрицательная сторона. Положительная сторона заключается в том, что когда гравитационные волны, наконец, будут обнаружены и изучены, мы, может быть, будем вознаграждены многими сюрпризами.

* * *

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 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.