Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Феррейра Педро

Вебер учился в Военно-морской академии США на инженера-электрика, а во время Второй мировой войны командовал кораблем. Благодаря опыту в области электроники и радио его сделали главой отдела разработки средств радиоэлектронного подавления. После войны он стал профессором электротехники в Мэрилендском университете, но решил сменить сферу деятельности, получив докторскую степень по физике.

В середине 1950-х Вебера заинтересовала гравитация. На решительный шаг его вдохновил Джон Уиллер, в результате Вебер на год приехал в Европу для знакомства с новыми разработками в области общей теории относительности. Вернувшись, он был готов к проектированию и созданию инструментов. Постепенно погружаясь в задачу записи гравитационных волн, он в общих чертах рассматривал различные возможности, заполняя блокноты чертежами хитроумных устройств. Один из методов просто завладел его воображением. Идея была простой. Следовало подвесить к потолку большие тяжелые цилиндры из алюминия, обвязав вокруг них набор невероятно чувствительных

детекторов, которые при вибрации начнут посылать электрические импульсы на записывающее устройство. Помешать эксперименту могло что угодно — телефонный звонок, проезжающий автомобиль, хлопнувшая дверь. Поэтому цилиндры следовало как можно сильнее изолировать, чтобы отсечь все возможные источники вибраций и толчков.

Когда, наконец, Вебер создал свои цилиндры, или, как их потом стали называть, детекторы Вебера, они немедленно начали регистрировать вибрации. Цилиндры вибрировали, а после того как все известные возмущения были устранены, остались только те сигналы, которые могли бы быть именно гравитационным излучением. Хотя присутствовала одна странность. Если бы это действительно было гравитационное излучение, его источником мог быть только очень сильный взрыв, доступный для наблюдения в телескопы. Сигнал был слишком интенсивным, чтобы быть гравитационным излучением. А это означало, что Веберу нужно было совершенствовать инструментарий.

Чтобы быть абсолютно уверенным, что любое движение цилиндров возникает из-за проходящей через них гравитационной волны, Вебер поместил один из четырех детекторов в Аргоннской национальной лаборатории (АНЛ), отстоящей от его лаборатории в Мэрилендском университете почти на тысячу километров. Одновременное дрожание цилиндров в обоих местах стало бы убедительным признаком проходящих через них гравитационных волн, идущих из космоса. Веберу оставалось сравнить записи детекторов на всех цилиндрах. Наличие нескольких одновременных совпадений, скорее всего, указывало бы на внешний источник возмущения — гравитационную волну, — а не на согласованное покачивание самих цилиндров. Оставалось обнаружить такие «совпадения», как он их называл. Вебер снова включил свою машину и принялся ждать.

К 1969 году, после более чем десяти лет работы, Вебер мог показать миру кое-какие результаты: набор совпадающих вибраций не только у цилиндров, подвешенных в АНЛ и в университете, но и у всех четырех цилиндров. Для случайного совпадения это было слишком много. Все цилиндры в унисон что-то ощущали. В это время не было ни землетрясений, ни электромагнитных бурь, которым можно было бы приписать данное явление. Вебер решил, что обнаружил гравитационные волны.

Следующие несколько лет Джозеф Вебер совершенствовал свой эксперимент, чтобы убедиться, что не принимает желаемое за действительное. Вибрации в цилиндрах были немногочисленными, отстояли друг от друга на значительное расстояние и маскировались шумами. Потряхивание могло возникнуть из-за температурных эффектов, из-за внутренних колебаний атомов и молекул. В подобных случаях при недостатке внимательности глаз может обнаружить систему там, где на самом деле она отсутствует. Чтобы избежать подобной ловушки, Вебер разработал компьютерную программу для фиксации вибраций и автоматической идентификации совпадений. Еще он решил записывать показания одного из детекторов с небольшой задержкой, а потом сравнивать эту запись с остальными. Если совпадение и в самом деле имело бы место, сигнал, зарегистрированный на одном цилиндре, чуть позже должен регистрироваться на другом. При сравнении таких записей количество совпадений должно уменьшиться, что и произошло на самом деле.

К 1970 году эксперимент Вебера длился уже столько времени, что появилась возможность определить направление регистрируемого установкой гравитационного излучения. Казалось, что оно исходит из центра галактики, и Вебер воспринял это как добрый знак. Как он писал в своей работе: «Благоприятным признаком является наличие [10 миллиардов] солнечных масс, и имеет смысл искать источники в той области, где сосредоточена большая часть галактической массы».

Вебер все больше верил в то, что и в самом деле смог во время своих экспериментов зарегистрировать гравитационные волны, и это привлекло всеобщее внимание. Его открытие застало всех врасплох. Столь простой способ обнаружения стал неожиданностью, но поводов заранее сомневаться в полученных данных пока не было. Результаты Вебера то и дело принимались рассматривать релятивисты, пытающиеся понять, что они означают. Роджер Пенроуз высчитывал, что произойдет при столкновении двух гравитационных волн: возникнет ли достаточно взрывоопасная ситуация, чтобы привести в действие устройство Вебера? Стивен Хокинг проводил мысленные эксперименты по столкновению двух черных дыр, надеясь, что результатом такого процесса станет достаточно мощная для объяснения открытия Вебера вспышка гравитационного излучения. Сначала слава Вебера только возрастала. У него брали интервью для журнала Time, его работе отводилось важное место в New York Times и множестве других газет в Соединенных Штатах и Европе. И шумиха продолжала расти.

Результаты

Вебера были поразительными и слишком хорошими, чтобы быть настоящими. Казалось, что Вебер обнаружил невероятный источник гравитационного излучения, намного больший, чем когда-либо считалось возможным. Однако сколь бы совершенными ни были детекторы Вебера и сколько бы чувствительные датчики к ним ни прикрепляли, они не могли быть настолько чувствительными. Для реального распознаваний вибраций детекторы Вебера должны были бы подвергнуться действию невероятно мощных гравитационных волн, настоящих мастодонтов, летящих в сторону Земли.

Это была проблема, потому что даже если считать, что предполагаемые гравитационные волны пришли из центра галактики, где много материи, готовой взорваться, столкнуться и как следует встряхнуть пространство-время, вся эта материя находится на расстоянии двадцати тысяч световых лет от Земли. Если предположить, что и в самом деле где-то в центре Млечного Пути находился источник гравитационных волн, то испускаемые им волны, дойдя до Земли, должны были практически потерять свою интенсивность. Собственно, как указал сам Вебер, энергия зарегистрированных им гравитационных волн была эквивалентна энергии, которая могла бы выделяться при ежегодном разрушении в центре галактики тысячи звезд размером с наше Солнце.

Мартин Рис из Кембриджа с самого начала был настроен скептически по отношению к результатам Вебера. Вместе со своим бывшим научным руководителем Деннисом Сиамой и Джорджем Филдом из Гарвардского университета он занялся вычислением количества энергии, которое может выходить из центра галактики в виде гравитационных волн. Расчеты показали, что для возникновения гравитационной волны ежегодно должны разрушаться не более двух сотен звезд размером с наше Солнце. При этом галактика, очевидно, должна увеличиваться в объеме, что опровергалось наблюдением за движением близкорасположенных звезд. Расчет был приблизительным, поэтому ученые постарались быть крайне аккуратными в своих выводах. В статье утверждалось: «Так как обсуждаемые здесь прямые астрономические расчеты не исключают обнаруженной в экспериментах Вебера большой потери массы, крайне желательно, чтобы эти эксперименты повторили другие ученые». Вебер не утратил присутствия духа, ведь Рис, Филд и Сиама выдвинули против него теоретический аргумент. Возможно, теория давала ошибочные прогнозы, но его эксперименты обманывать не могли.

По примеру Вебера в Москве, Глазго, Мюнхене, лабораториях Белла, Стэнфорде и Токио начали новую серию экспериментов. Некоторые установки были точной копией детекторов Вебера, остальные тоже в той или иной степени конструировались на основе его исходного проекта. По мере их постепенного подключения начали накапливаться результаты и вырисовываться общая картина; и если исключить несколько событий, зарегистрированных в Мюнхене, такого же большого, как у Вебера с его детекторами, количества совпадений выявлено не было. Совпадения попросту отсутствовали. Вебер был невозмутим. Он занимался этой задачей уже десять лет и ясно видел, что все остальные эксперименты проводились на менее чувствительном оборудовании, а значит, удивляться отсутствию сигнала не приходилось. Если кто-то хочет покритиковать его результаты, пусть сначала построит точную копию его детектора. После этого можно будет разговаривать.

Некоторые экспериментаторы, в том числе из Глазго и лабораторий Белла в Холмделе, парировали, что они пользовались именно точной копией, но тем не менее не смогли получить такие же результаты, как Вебер. Но он опять нашел объяснение: копии были недостаточно точными.

Впрочем, с собственными экспериментами Вебера тоже было связано несколько настораживающих моментов. Начать с того, что вряд ли чувствительность используемых им детекторов сильно превосходила все остальные. Данная область физики только начинала развиваться, и пока было непонятно, как определять чувствительность экспериментальной установки. Еще больше тревожил тот факт, что, несмотря на тенденцию к ошибкам, Вебер продолжал обнаруживать совпадения. К примеру, он утверждал, что зарегистрированные им гравитационные волны приходят из центра галактики. К такому заключению он пришел, обнаружив, что вибрации в кластерах событий чаще всего возникают раз в сутки, когда детекторы направлены на центр галактики. При этом Вебер упустил из виду одно важное обстоятельство: Земля не является препятствием для гравитационных волн. Поэтому когда цилиндры снова ориентировались в сторону центра галактики, но уже с другой стороны планеты, должно было возникать аналогичное количество совпадений. То есть кластеры обязаны были появляться каждые двенадцать часов, а вовсе не раз в сутки, как получалось у Вебера. Осознав свою ошибку, он произвел повторный анализ собранной информации, и на этот раз оказалось, что имеется двенадцатичасовой цикл, который остался незамеченным во время первой обработки данных. Фактически он обнаруживал то, что искал, потому что знал, что именно нужно найти. Бернард Шутц, который в то время был начинающим релятивистом, вспоминал, что «люди восприняли это крайне недоверчиво. Вебер не давал всем желающим доступа к своим данным, но всем казалось, что он с подозрительной точностью находит именно то, что хочет найти».