Михаил Васильевич Сажин – доктор физико-математических наук
Александр Гордон: ...Теории относительности Эйнштейна. Но до сих пор они не зарегистрированными остаются, таким теоретическим предположением.
Владимир Брагинский: Нет.
А.Г. Не зарегистрированным?
Михаил Сажин: Совершенно верно.
В.Б. Даже уже Нобелевскую премию дали.
А.Г. За что?
В.Б. За косвенное обнаружение, проверку формулы Эйнштейна для гравитационного излучения. 93-й год, Нобелевский комитет сработал верно.
А.Г. Секунду, секунду, секунду. Вы говорите – нет, вы говорите – да.
В.Б. Да. И он прав, и я прав.
А.Г. Это к слову о логике, которая используется в описании квантовой механики. И даже в общей теории относительности. А что произойдет при двух сценариях: первый из которых мы сегодня будем обсуждать так или иначе в этой программе. Гравитационные волны – да, будут обнаружены в эксперименте, с помощью столь сложных устройств...
В.Б. Непосредственно будут обнаружены.
А.Г. Да, непосредственно.
В.Б. Нобелевскую премию дали за опосредованное обнаружение.
А.Г. А теперь будут непосредственно обнаружены гравитационные волны. И это один сценарий. И второй: при всех попытках гравитационные волны не будут обнаружены, а общая теория относительности зарекомендовала себя как очень точная в предсказаниях наука.
В.Б. Да. Она – инженерная дисциплина для слабых гравитационных полей, для высокоточной космической навигации.
А.Г. Очень хорошо. Есть вероятность того, что гравитационные волны не будут прямо обнаружены?
В.Б. Нет.
А.Г. А вы как считаете?
М.С. Я считаю, что они будут обнаружены.
А.Г. Хорошо, теперь, когда мы об этом договорились, стоит напомнить, что вы сами разделили эфир на две неравные части. У вас 30 минут времени, у вас 20.
В.Б. Михаилу Васильевичу – 20?
А.Г. Да.
В.Б. Значит, можно начинать? Я начну издалека. Сначала был Максвелл. В 1865-м году он обнаружил, что в его уравнении есть волновое решение, и это было опубликовано. И в среде очень небольшого количества физиков это была острая проблема. Гельмгольц своему ассистенту говорил: "Максвелл знает, что есть волновое решение". Должны быть волны. Что это такое? Надо их обнаруживать, если они есть. Хотя оптика была, но никто тогда не знал, что оптическое излучение – это тоже электромагнитные волны.
В 1888-ом году ассистент Гельмгольца сделал опыты, которые известны довольно давно – опыты с вибратором Герца. Он разряжал банку на диполь (на то, что сейчас стоит на крышах многих домов – антенны дециметрового диапазона) и ухитрился разглядеть маленькую искорку в таком же диполе, в таком же вибраторе, который находился на расстоянии нескольких метров. Потом обнаружил, что можно отразить волну. Это была прямая демонстрация существования гравитационного излучения.
Здесь надо сделать некоторый акцент. Акцент принадлежит Лоренцу – великому голландскому физику. Это то поле, которое отрывается от источника и существует сколь угодно долго, но распространяется, если в вакууме, то со скоростью света. Итак, прошло 7 лет после Генриха Герца. Рентген открыл рентгеновские излучения. Те же самые, электромагнитные, только другая длина волны – маленькая. В 10 тысяч раз меньше, чем оптический диапазон.
Еще несколько лет прошло. Всем стало ясно, что это единый спектр, только частоты разные, длины волн разные.
Дальше, следующий этап начался с середины первой мировой войны. Эйнштейн публикует общую теорию относительности. В линейном приближении она очень похожа на уравнение Максвелла. Она сложнее, но в линейном приближении похожа. В самом конце войны он публикует еще одну статью, добавочную, уточняющую, о том, что у него тоже есть излучение, которое должно оторваться от источника и существовать независимо, распространяться со скоростью света, только излучаться в обычных условиях оно должно очень слабо.
Почему? Потому что гравитационные взаимодействия – самые слабые из всех известных. Отношение электрического заряда к массе, скажем, электрона -большое число: пять на десять в семнадцатой. В то время как у всех тел, у всех видов материи, нам известных, это отношение – десять в минус седьмой, не плюс семнадцатой, а минус седьмой. Значит, разница – почти 25 порядков.
Тем не менее, статическое гравитационное взаимодействие обнаружили. Все тела, во-первых, обладают малыми гравитационными зарядами, гравитационной массой. И они притягиваются, все притягиваются. Нет отталкивания. Вот первый факт.
Второй факт. У всех тел отношение заряда к массе, гравитационного заряда к инертной массе – одно и то же. Это иногда называют принципом эквивалентности, но по существу – это закон природы, опытный факт. Из этого, к сожалению, следует (это можно по Максвеллу выяснить или по Эйнштейну – одинаково), что дипольного излучения нет, нет плюсов и минусов. А есть квадрополе. Квадрополе – это два диполя, которые мешают друг другу излучаться. Есть такой маленький довесок.
И тогда стали оценивать – нельзя ли в лаборатории сделать опыт, сделать ускоренное движение масс или две массы вращать? Выяснилось: возьмете тонну, две тонны, раскрутите до такой скорости, что лучшая сталь еле-еле выдерживает, и получите мощность излучения десять в минус тридцатой ватта. Очень мало.
Через 30 лет после публикации статьи Эйнштейна 18-го года, в 48-ом году, 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. Пауза длилась лет 10. Люди стали медленно и систематически рассматривать, какие источники, подаренные природой, можно обнаружить.
Много сделали российские физики, советские в то время. Но хороших моделей не было, пока не появилось открытие. Открыли нейтронные звезды. Нейтронная звезда – это звезда, которая имеет массу немножко больше солнечной, но такая плотная, что она уместится в Садовом кольце, если можно будет сделать вокруг нее такой поясочек.
Если 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 70-х годах. Параллельно экспериментаторы фантазируют: как же решить такую проблему, найти тот вид излучения, который на бумаге уже давно существует.
Было еще несколько этапов, я их опущу. С моей точки зрения, ключевым был этап, который связан с изобретением Мейманом лазера. Это мощный источник оптического излучения с очень узкой линией, ее ухитрились еще потом снизить, сузить весьма существенно, и получилось нечто замечательное. Теперь говорят, что лазерная физика – это, собственно, область физики, где лазеры применяются для самых разных надобностей. Сейчас ими (это отклонение от темы) научились ускорять элементарные частицы, используя не гигантские машины, а скромные установки на лабораторном столе. Получают сотни мегавольт на частичку. Это много. Будет больше.
Но я возвращаюсь к теме. В 62-м году, практически сразу после изобретения лазера... Можно первую картинку?
А.Г. Кстати, о лазере, он у вас в руках.
В.Б. Да, но я пользуюсь не таким хорошим, каким нужно.
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 квадропольной 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 вас проходит – она через вас проходит, через Михаила Васильевича, – 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 так, чтобы расстояние между зеркалами было таким, чтобы был резонанс целому числу полуволн, здесь поставить детектор. Это очень чувствительная игрушечка для измерения маленьких колебаний.
Потом примерно 6-7 лет была пауза. И, наконец, с 70-го года в научно-исследовательском технологическом институте и в университете города Глазго, где живут какое-то количество Гордонов, 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. И вот три человека в 81-м году убедили Национальный фонд научных исследований выделить довольно приличные деньги на то, чтобы сделать прототип антенны, основанный на этом принципе. Это Рон Дривер, Рэй Уайс и Кип Торн. Кип Торн, кстати сказать, член нашей российской Академии Наук, почетный доктор МГУ. Очень хороший человек. Он – теоретик, да и остальные – экспериментаторы – не хуже.
Сделали прототип. Кстати, здесь уместно сказать, что люди, которые делали прототип, с моей точки зрения, – образец стопроцентной отдачи себя науке. Было потрачено, с 81-го года по 96-й, 15 лет и почти не было публикаций у десяти человек. Наконец, они сделали прототип, который начал измерять маленькие колебания. Насколько маленькие? Отношение дельта эль к эль (относительно изменения длины) примерно на уровне 10-19 при времени измерения в сотую секунды.
Эти числа близки к тому, что нужно сделать. Но не совсем. Время примерно то же, потому что, скажем, от слияния нейтронных звезд должен быть всплеск со средней частотой около ста герц. Но отношение дельта эль к эль, это растяжение и сжатие, должно быть меньше примерно в сто раз.
В этот момент, в 96-м году, тот же Национальный Фонд научных исследований США решил – пора вкладывать деньги в эту программу всерьез, потому что опыт показал, что это, как говорят англичане, американцы, "doable": это можно сделать. И вместо 40 метров сделали машину, которую сейчас мы посмотрим на следующем кадре, пожалуйста.
Вот модель процесса: две нейтронные звезды, попавшие на относительно близкое расстояние, такой у них был прицельный параметр, сливаются. Они выдают всплеск гравитационного излучения. Редкое событие, поэтому одной галактикой здесь не обойдешься. В галактике это бывает редко. Есть споры – раз в десять тысяч лет или раз в сто тысяч лет. Значит, надо брать много галактик.
Поэтому расстояние, на которое надо рассчитывать – сто миллионов, может быть, для надежности, 200 световых лет. Или 1026 сантиметра. А на земле расположить эту комбинацию из зеркал и лазера. Упрощенная схема, но больше ничего.
Естественно, сразу спрашивается, а что нужно? Нужно отношение дельта эль к эль, по крайней мере, 10-21, лучше в минус двадцать второй. Этот проект носит название "ЛАЙГО". Срок жизни этого проекта, у него есть разные этапы, примерно 30 лет. Здание, аппаратура, основные конструкции построены из этого расчета. Стоит он недорого, одну треть подводной лодки. Подводная ядерная лодка стоит 2 миллиарда долларов, а это – одну треть, и за 30 лет, а США производит 2 подводные лодки в год.
Можно следующий кадр?
Это вид с высоты примерно 50 метров, с вертолета. Это главное здание. Здесь надземный туннель. Здесь зеркало, здесь набор зеркал. Конструкция уходит туда на 4 км, и там тоже кончается зданием, и там тоже в конце трубы висит нежно подвешенное зеркало.
А.Г. Вот у меня сразу возникает вопрос, простите, не могу от него отделаться, как "нежно подвешенное"? Как можно аннулировать шум?
В.Б. Я к этому подойду. Пожалуйста, следующий кадр. Это я – для масштаба, а вот это – труба.
А.Г. "Я – для масштаба"...
В.Б. Да. А это коллеги, которые ухаживают за конструкцией. Их две, таких антенны. Одна находится недалеко от Нового Орлеана, а вторая – недалеко от Сиэтла. Между ними 10 световых миллисекунд или 3000 км, так что можно работать в схеме совпадений. И даже, если удастся, различить фронт, направление на источник.
Пожалуйста, следующий кадр.
Вот опять же я – для масштаба. Вот броневая половинка туннеля, сделанная из бетона для того, чтобы трубу защитить. Вот это профессор Торн, зачинатель этого дела, значит, вон там профессор Вит Чайн. Кадры не очень ясные. Можно и меня, может быть, узнать. Это студент.
Дальше, пожалуйста.
Внутри большого здания много труб, там система несколько сложнее, чем то, что я описал, но основная сущность – два зеркала и еще два зеркала, и больше ничего. Чаны есть. В чанах стоят шедевры антисейсмической изоляции, которые порядков на 11 глушат сейсмику, пролезающую, стремящуюся пролезть к зеркалу.
Пожалуйста, следующий кадр.
Если вы хотите подойти, вскрыть чан и заменить там что-нибудь внутри, вам придется надеть такие вот халаты, "намордники" и перчатки. Пыль не должна проникать, потому что пылинка на зеркале – это плохо.
Пожалуйста, следующий кадр.
А.Г. А каков размер зеркал?
В.Б. Вот оно. Это доктор Елена Армандула держит зеркало в руках. А вот его маленькая модель, модель уменьшенных размеров, с которой мы много раз игрались. Она стоит всего лишь 200 долларов, и можно наиграться всласть, что мы и сделали, об этом я чуть позже расскажу. А вот это стоит 50 000 долларов, потому что оно покрыто двадцатью парами слоев, которые очень хорошо отражают фотоны. Фотоны используют здесь многократно с тем, чтобы не слишком много энергии тратить и добраться до цифры дельта эль к эль 10-21 или -22. Для этого нужно много раз использовать фотон, и начальная мощность должна быть большой. Это дешевое зеркало, а это не очень. Это 200 долларов всего лишь стоит, а то – 50 тысяч. И покрытие еще 30. Вот так.
Теперь, значит, как избавляться от шумов? Один момент я уже отметил.
А.Г. Чан.
В.Б. В чане антисейсмический изолятор. Набор плиток и пружинок, у которых частота ниже той, на которой мы работаем. Они просто давят, поглощают, утишают сейсмическую волну, которая в обычных условиях – это 10-4, 10-5, если частоты повыше – 10-6 сантиметра. Но не 10-16, которая нужна, чтобы было при 4 км от цифры 10-21.
Следующий момент. Вообще говоря, не все так просто, как я описал. Шумов, действительно, очень много. И первый враг – броуновские шумы. На каждую колебательную степень свободы приходится кТ, на обычную степень – половиночка кТ, надо от них избавиться. Конечно, можно было бы все морозить, но это, во-первых, дорого; во-вторых, можно заморозить, скажем, до трех градусов Кельвина. Выигрыш будет всего лишь сто раз по температуре, а по колебаниям – всего лишь 10. Надо куда сильнее.
Есть прием, который был давно придуман, он заключается в том, что делают всю механическую систему высокодобротной. Тогда вся энергия – вблизи резонанса. А на крыльях – ничего. А гравитационная волна, вот то, что заставляет сжиматься и разжиматься, неоднородное ускорение, она, скажем, на ста герцах, далеко. И посему начались проблемы...
Сначала этот проект был национальным, но лет 6-7 тому назад он стал, по существу, международным. К нему присоединились британская группа, немецкая группа и две группы из России. Одна из Института прикладной физики из Нижнего Новгорода, а вторая – из МГУ, я к ней принадлежу. Теперь немножечко о том, что мы сделали.
Профессор Митрофанов и его коллега Токмаков такое зеркало, которое вы держали в руках, именно такое же, подвесили на ниточках из очень чистого кварца, у которого маленькое акустическое затухание, то, что нужно. И сделали постоянную времени, времени затухания маятника – маятник Галилея, здесь никаких хитростей нет – больше пяти лет при комнатной температуре, добротность – два на десять в восьмой.
Потом выяснилось, что есть еще много элементов, которые надо проработать. Например, есть такая неприятность – флуктуация температуры. При полном равновесии, тем не менее, температура вашего левого плеча не равна правому, она все время немножечко дергается. Если взять все плечо, то это малые доли Кельвина, но этого достаточно, если учесть коэффициент теплового расширения, чтобы появилась рябь на поверхности зеркала. В результате нельзя делать маленькое лазерное пятно, надо делать большое. Это и сделали мои коллеги Сергей Петрович Ветчанин и Михаил Денисович Городецкий. Сделали полный анализ, когда уже вся программа шла на полном ходу. Поэтому она сейчас перестраивается, увеличивают размер пятна. А на втором этапе "ЛАЙГО-2" там будет пятно размером с ползеркала.
И есть, наконец, третья проблема, самая серьезная. Значит, все-таки маленькие величины: мечтают добиться в 2010 году дельту эль к эль 10 в минус 22-ой. Амплитуда колебаний 10 в минус 17-й сантиметра. Нет ли здесь квантовых неприятностей? Они есть, хотя температура комнатная, и кругом полно частиц, у которых энергия намного больше той энергии, – если говорить о энергии, скажем, поступательного движения, – которую можно обнаружить. Тем не менее и от этого можно избавиться. Вот такими приемами.
Центр масс 10-ти или 20-килограммового зеркала будет вести себя как квантовый объект. Известно, что той постоянной времени, о которой я вам сказал, если вспомнить только один вид броуновского движения, достаточно, чтобы в течение нескольких миллисекунд строго выполнялись соотношения неопределенности Гейзенберга. Фотоны стучат, сообщают неопределенность импульса. И координата не может быть измерена точнее, чем некоторый порог, для которого уже придумали название – стандартный квантовый предел. Он определяется соотношением неопределенностей и временем измерения.
Кстати сказать, как ни странно, этот порог был, так сказать, осознан относительно недавно. Квантовая теория – это 27-28 годы, а порог в 67-м году был описан. Мои коллеги и я понимали, что он есть, но не очень понимали его существо. Но чувствовали себя примерно так же, как вы, когда вам рассказывают о квантовой теории: есть волновые свойства у центра массы зеркала килограмм 10-ти массой и при комнатной температуре, но при хорошей изоляции.
Вот здесь, так сказать, наступает некоторый критический момент в поиске. Вся система рассчитана лет на 30 работы. Сейчас идет запись на двух антеннах. Запись закончится где-то в мае, начнется обработка. Посмотрим, не видно ли чего-либо, а вдруг чего-нибудь обнаружили? Но, по-видимому, нет – по чувствительности дотянулись до расстояния немножечко больше, чем мегапарсек от Земли. Надо все-таки хотя бы 10 мегапарсек иметь. Заведомо эта цифра будет получена в течение ближайших пяти лет, сомнений нет.
Дальше начнется полная реконструкция, и будут использованы, в частности, разработки МГУ и разработки из Нижнего Новгорода. Я опускаю технические детали, ведь зеркало – это шедевр технологического и физического искусства, если хотите – науки, как угодно называйте.
Наконец, еще одна трудность. Если квантовое поведение, если есть предел – как его обойти? Есть рецепт, он был найден исторически относительно недавно. Надо перестать избирать координату. Надо избирать, например, импульс. Импульс сам с собой коммутирует во времени у свободной массы. Но это сделать не очень просто. И надо как-то переделывать так, чтобы не слишком дорого было. Все-таки треть подводной лодки, правда? Это дорого. Это же не на войну, это же для удовлетворения любопытства.
А.Г. Ну, да.
В.Б. Посему, пришлось поработать. Есть элегантная модель, предложенная моим коллегой профессором Халили. Можно обойти проблемы, и относительно простые варианты наклевываются, но они еще не доработаны, над этим предстоит работать. Так что все будет интересно и очень здорово. Положительный результат мы с Михаилом Васильевичем гарантируем. Может быть, так случится, что он будет несколько позже, чем мы хотели бы, но будет.
Михаил Васильевич дальше расскажет о других длинах волн и о других источниках. Но заведомо известно следующее: узнаем, какова популяция, сколько нейтронных звезд в галактиках, и по форме всплеска узнаем, каково уравнение состояния нейтронной звезды. Заведомо. Второе. Есть большая вероятность, не на первом этапе, а на втором, обнаружить более редкие события, когда нейтронная звезда сталкивается с черной дырой. Вот тут будет момент истины для общей теории относительности.
А.Г. Есть черные дыры или их нет?
В.Б. То, что есть плотные образования, очень на них похожие, сомнений не вызывает. Вот есть ли у них корочка, радиус Шварцшильда? Когда гравитационный потенциал точно равняется "с2". Это означает, что теория относительности справедлива до этой точки, до этой величины. Вот на это никаких экспериментальных доводов нет. И посему это будет самое интересное – столкновение нейтронной звезды с черной дырой или двух черных дыр. Профессор Торн, которого я упоминал, говорит: "Внутри черной дыры нет ничего, кроме как пространства и времени". Это образец, если хотите, фундаментализма, фундаменталистского подхода к тому, куда придет наука: количество терминов, количество сущностей должно сужаться. С его точки зрения нет ничего, кроме пространства и времени.
А.Г. Что же тогда образует эту страшную гравитацию и горизонт событий? Где масса-то, если есть только пространство и время?
В.Б. Гравитационная волна – это рябь на поверхности кривизны.
А.Г. Кривизны пространства-времени?
В.Б. Да. А источники – это особые точки, тут можно чисто геометрический подход применить, если считать, что точки существуют. Их нет на самом деле, но что-то похожее на точки. Это особенность для геометродинамики. Так можно, запрета нет. Но фундаментализм здесь просто пока еще восклицает, никаких рецептов и проверяемых на опыте результатов не дает. Вот это то, что я хотел рассказать.
А.Г. Я только один вопрос задам: а какова вероятность столкновения двух черных дыр? В.Б. Есть несколько моделей. И астрофизики здесь до конца не договорились. Если одна галактика, то, согласно замечательному физику Хансу Бете и Брауну, его соавтору, – раз в десять тысяч лет.
А.Г. Это нейтронные звезды? Или и то и другое?
В.Б. Нет, нейтронные звезды только.
А.Г. А черные дыры? Коллапс двух черных дыр? Мне представляется вероятность меньшей, нет?
В.Б. Наверное, меньшей. Посему мечта не 10 в 26-й сантиметра, а чуточку увеличить чувствительность. И тогда мы дойдем почти до горизонта событий. Будут космологические расстояния, следовательно, мы будем...
А.Г. Тогда все, что происходит, мы услышим.
В.Б. То, что происходило.
А.Г. Происходило, конечно.
В.Б. В оптимистическом случае – это сто миллионов лет тому назад, в пессимистическом – 300, 400 миллионов, может быть миллиард лет. Миллиард лет – это уже космологические расстояния. Но я не хочу отнимать время у Михаила Васильевича.
А.Г. Да, пожалуйста.
М.С. Вадим Борисович рассказал о том, что люди делают на Земле, а я расскажу о том, как люди пытаются зарегистрировать гравитационные волны в космосе. Вадим Борисович привел очень яркий пример: если мы перейдем от обычных наземных излучателей к космическим, резко вырастает мощность. Естественно, чем больше у нас масса, чем быстрее движение, тем больше мощность гравитационного излучения. Самое быстрое движение, самые большие массы – это ранняя Вселенная. Пожалуйста, картинку следующую.
В ранней Вселенной мы можем ожидать сильного излучения гравитационных волн. Здесь изображен еще один способ детектирования гравитационных волн, но теперь чисто космический способ. Здесь изображены три спутника. То кольцо, которое в левом нижнем углу, это один спутник, с двумя другими спутниками формируется треугольник. Но этот треугольник будет уже не на Земле, а на орбите Земли. Такой схемой можно будет детектировать очень долгие периодические источники.
А.Г. Это тот же интерферометр только таких размеров, что...
В.Б. Это то же самое, в принципе: 5 миллионов километров вместо четырех километров. Все.
М.С. По сути, по идейной стороне он ничем не отличается от того интерферометра, про который рассказывал Вадим Борисович, за одним только исключением, что размеры его гораздо больше. Примерно в миллион раз. Соответственно, и планируемая чувствительность тоже больше. Наверняка можно сказать, что эти группы встретят очень большие технологические трудности. Но будем надеяться, что они их преодолеют. Пожалуйста, следующую картинку.
Какие могут быть источники в ранней Вселенной? Вы видите здесь нарисованную модель так называемого рождения гравитонов из вакуума. В ранней Вселенной у нас могло быть так называемое параметрическое усиление гравитонов, и те гравитационные волны, которые существовали в виде вакуумных колебаний, могли усиливаться и превращаться во вполне зримые и ощутимые гравитационные колебания, которые мы можем зарегистрировать сейчас.
Отличие от такого изображения только в том, что спектр гравитационных волн очень широкий. Самые высокие частоты – это 100 мегагерц, самые низкие частоты составляют величину порядка 10 в минус 18-й герц, или порядка современной постоянной Хаббла. Следующую картинку, пожалуйста. Здесь еще раз показан прибор, который называется интерферометр "LISA", который, в принципе, может регистрировать гравитационные волны от ранней Вселенной.
Давайте мы пройдемся по всему диапазону, который могут представлять гравитационные волны. Вадим Борисович рассказал об интерферометре "ЛАЙГО", который рассчитан, в основном, на диапазон обычных волн, это от 1 килогерца до ста герц. Другими словами, на тот диапазон, который мы можем слышать.
Интерферометр типа "LISA" предназначен для гораздо более низкочастотных гравитационных волн, период их от нескольких сотен секунд до нескольких часов. Электромагнитных волн такого диапазона просто нет, они не распространяются в нашем пространстве. Любая достаточно мягкая плазма их поглотит и не позволит им распространятся. Гравитационные волны чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, и поэтому могут распространяться. Надо сказать, что трудность детектирования гравитационных волн связана именно с тем, что они слабо взаимодействуют с веществом, но в этом же и их прелесть. Они доходят до нас от самых ранних стадий эволюции Вселенной. Следующую картинку, пожалуйста.
Вот вы видите, схему интерферометра "LISA" на орбите. Желтый кружок в центре – это Солнце, белый круг – это орбита Земли, и вокруг штриховой линией показано положение трех интерферометров. Здесь будет бегать лазерный луч, который будет подвергаться действию гравитационной волны и который будет показывать экспериментаторам, насколько сильно действует на них гравитационная волна. Следующую, пожалуйста, картинку.
Эти три спутника будут двигаться вдоль орбиты Земли и совершать вот такие движения в течение нескольких лет, что позволит накапливать гравитационный сигнал от далеких источников – не только от двойных темных дыр или еще от каких-то источников двойного типа, но, в частности, попробовать зарегистрировать гравитационно-волновой шум от ранней Вселенной. Это те гравитоны, которые были порождены в самые ранние моменты времени. Следующую картинку, пожалуйста.
Что мы можем сказать о другом диапазоне? Здесь представлен еще один способ детектирования гравитационных волн. Надо сказать, что идейно он ничем не отличается от интерферометра. Здесь тоже у нас есть приемник, но здесь приемником выступает приемная система радиотелескоп-пульсар. Это аналог лазера. Пульсар – это космический объект, который излучает очень высокостабильные импульсы электромагнитного излучения. Эти импульсы электромагнитного излучения обладают не намного худшей стабильностью, чем у хороших лазеров. И если на распространяющиеся электромагнитные волны от пульсара до радиотелескопа действуют гравитационные волны, как здесь показано, то они будут чуть-чуть менять фазу этих импульсов, и на радиотелескопе мы будем это видеть, как если бы они чуть-чуть запаздывали или шли с опережением. Поэтому, в сущности, здесь тоже реализуется интерферометр, но только с гигантскими размерами, поскольку расстояние от ближайшего пульсара до Земли, это сотни парсек. Это уже даже не 5 миллионов километров, это уже чисто астрономические расстояния.
У нас есть и другие способы детектирования очень низкочастотных гравитационных волн. Следующую, пожалуйста, картинку. Эти гравитационные волны имеют частоту, сравнимую с горизонтом нашей Вселенной, частоту порядка 10 в минус 18 герц. В данном случае они изменяют так называемую поверхность последнего рассеяния. То есть, ту поверхность, откуда до нас доходит реликтовое излучение, которое было рождено в ранней Вселенной. И мы можем наблюдать действие гравитационных волн в виде анизотропии этого реликтового излучения. Здесь я должен два слова сказать о том, что такое реликтовое излучение.
Надо сказать, что все тела при расширении охлаждаются, а при сжатии нагреваются. Наша Вселенная расширяется, и она охлаждается. В прошлом она была гораздо горячей, и в ней была так называемая первичная плазма. Эта первичная плазма состояла из нескольких сортов частиц, в частности, одними из таких частиц были фотоны. После того как плазма остыла достаточно для того, чтобы электроны рекомбинировались протонами, у нас образовалось нейтральное вещество, и фотоны начали распространяться свободно. Эти фотоны сейчас астрономы и наблюдают в виде реликтового излучения. Это реликтовое излучение пошло с так называемой поверхности последнего рассеяния. Представьте себе, что вот здесь у нас температура упала настолько, что фотоны смогли излучаться, распространяться оттуда свободно. При этом они распространяются во всех направлениях, но только в одном направлении – к телескопу – мы их увидим. И такие фотоны формируют то, что называется "поверхность последнего рассеяния", и мы видим источник во Вселенной, внутри которого мы находимся. Это гигантский источник, самый далекий из известных во Вселенной, и называется он "поверхность последнего рассеяния".
Эта поверхность последнего рассеяния под воздействием гравитационных волн тоже немножко колышется, точно так же, как два плеча интерферометра. И мы наблюдаем это в виде горячих и холодных пятен реликтового излучения. Пожалуйста, следующую картинку.
Надо сказать, что анизотропия реликтового излучения была открыта примерно 10 лет назад, и в течение этих лет астрономы очень активно исследовали анизотропию реликтового излучения. Но новый этап этого изучения наступил с выводом спутника "WMAP", который расшифровывается так "Вилкинсон майкровейв анизотропи проуб". Этот спутник был запущен в точку Лагранжа L2 и служит для того, чтобы записать всю информацию об анизотропии реликтового излучения со всей сферы. Пожалуйста, следующую картинку.
Вы видите карту, которую сделал этот спутник. Красные пятна на этой карте означают повышенное значение температуры в данном направлении, синие – пониженное. Итак, мы видим всю сферу вокруг нас в виде такой пятнистой поверхности. Гравитационные волны и формируют эту поверхность, они являются стохастическими волнами, но в отличие от тех волн, которые мы можем дать в проекте "ЛАЙГО", мы видим не изменения их во времени, а изменение их в пространстве, поскольку сама гравитационная волна – очень низкочастотная. Конечно, наблюдать, как она эволюционирует во времени, мы не можем. Тем не менее, мы можем наблюдать, как она эволюционирует в пространстве, как меняется она по сфере "последнего рассеяния".
Вот эта карта была сформирована буквально месяц назад. Американские астрономы, которые наблюдали на спутнике WMAP, опубликовали свои результаты в начале февраля. Надо сказать, что этот спутник будет работать еще год, и будем надеяться, что они получат еще более точные данные.
Теперь немножко о гравитационных волнах. Анизотропия, которая сейчас наблюдается, вызвана так называемыми флуктуациями плотности. Это те флуктуации плотности, которые тоже были порождены в ранней Вселенной, и которые сейчас сформировали крупномасштабную структуру (галактики, звезды), и благодаря чему возникли и мы с вами. Совершенно точно можно сказать, что флуктуации, которые наблюдают сейчас астрономы, это не гравитационные волны, но, тем не менее, есть основание думать, что мы уже очень близки к тому пределу, когда гравитационные волны можно будет наблюдать и в таком диапазоне частот тоже. Почему? Дело в том, что общие теоретические предсказания указывают на то, что гравитационные волны должны вызывать анизотропию примерно в 10, может быть, в 20, в 30 раз меньше, чем то, что уже зарегистрировано. Надо сказать, что чувствительность таких экспериментов очень быстро растет со временем. Само реликтовое излучение было открыто в 66-м году, температура этого излучения – 3 градуса Кельвина. Оно, надо сказать, было открыто случайно, в результате испытания нового радиометра. Понадобилось 10 лет, чтобы открыть дипольную гармонику в анизотропии реликтового излучения, связанную с тем, что наша Земля, Солнечная система движется сквозь реликт, и из-за этого равновесное излучение кажется, с одной стороны, более ярким, с другой стороны более тусклым. Понадобилось еще 20 лет, чтобы открыть другие гармоники в анизотропии реликтового излучения.
Теперь мы уже подошли к тому, что полностью промерен спектр этого реликтового излучения, и уже наблюдается поляризация этого излучения. Давайте я два слова скажу о том, почему это так важно. Дело в том, что гравитационные волны и скалярные возмущения, возмущения плотности, совместно производят вот эту картинку, эту рябь на поверхности последнего рассеяния, и для того, чтобы разделить вклад гравитационных волн от скалярных возмущений, от возмущений плотности, мы должны наблюдать еще некоторые параметры этого излучения, а именно, два параметра Стокса. Вся интенсивность, все электромагнитное излучение характеризуется несколькими параметрами Стокса, это интенсивность и два дополнительных параметра, которые характеризуют поляризацию реликтового излучения. Вот поляризация реликтового излучения однозначно даст вывод о том, что гравитационные волны зарегистрированы.
И еще два слова я скажу о том, что поляризация реликтового излучения уже открыта. Она открыта в результате проведения эксперимента, который называется "DASI", в сентябре прошлого года. Группа астрономов, которые проводили этот эксперимент, опубликовали данные о том, что они наблюдают поляризацию реликтового излучения, а на спутнике WMAP даже построили спектр, поскольку спутник – гораздо более чувствительный прибор, чем тот эксперимент, который делали астрономы с Земли.
Надо сказать, что, несмотря на то, что поляризация открыта, это все-таки поляризация, вызванная не гравитационными волнами, а опять-таки возмущениями плотности. Но это уже близко к тому пределу, когда должна наблюдаться поляризация, вызванная гравитационными волнами.
Итак, мы кратко посмотрели на все диапазоны, в которых может быть гравитационное излучение – от диапазона 1 килогерц (это звуковой диапазон) до диапазона 10 в минус пятой герц, что соответствует одному дню или нескольким часам. Потом мы посмотрели на другой способ детектирования гравитационного излучения, с помощью пульсаров, это диапазон в несколько лет. И наконец, перешли к гравитационным волнам, которые являются самыми длинными гравитационными волнами во Вселенной, которые имеют длину волны, сравнимую с горизонтом Вселенной – несколько десятков гигапарсек. Все эти волны должны нести очень интересную информацию о ранней Вселенной.
Вадим Борисович сказал уже, что очень интересная информация будет о нейтронных звездах. Но нейтронные звезды – это все-таки нечто уже известное физикам. Нейтроны – это объект, который достаточно хорошо изучен. То, что пойдет из ранней Вселенной, те гравитационные волны, которые будут нести информацию о самых ранних стадиях, это то, что физиками совершенно не изучено. Есть достаточно много теоретических предположений о том, какова должна быть физика в ранней Вселенной, но никаких экспериментальных указаний на это.
Мне хочется показать еще одну картинку, покажите ее, пожалуйста. Что будет исследоваться в дальнейшем? Поляризация, которая будет исследоваться, поляризация реликтового излучения, ее исследование будет осуществляться в нескольких экспериментах. В частности, она будет исследоваться на международной научной стации "Альфа". Вы видите станцию "Альфа", она уже выведена на орбиту и летает уже несколько лет, на ней будет проводиться очень много научных экспериментов. И в частности, будет проводиться российско-итальянский эксперимент "SPORT", который специально посвящен исследованию поляризации реликтового излучения. Будем надеяться, что в этом эксперименте удастся зарегистрировать так называемую b-моду поляризации, которая прямо укажет на амплитуду гравитационных волн, на то, какая была физика ранней Вселенной.
Помимо этого эксперимента будет еще проводится эксперимент "ПЛАНК". Это гигантский эксперимент, в который вовлечены все европейские страны (пожалуй, за исключением России) и помимо этого еще и Соединенные Штаты. В этом эксперименте астрономы хотят промерить полностью и анизотропию реликтового излучения, и поляризацию. И узнать, какой у нас спектр от флуктуаций плотности и какие у нас гравитационные волны идут от ранней Вселенной. Зарегистрировав волны от ранней Вселенной, мы сможем восстановить физику ранней Вселенной, и посмотреть на то, какие законы там могли быть.
А.Г. У вас есть теоретические предположения о том, что это может быть за физика?
М.С. Конечно. Предположений очень много. Но предположения могут быть и ошибочными. Пожалуйста, покажите следующую картинку.
Здесь изображены те знания, которые есть сейчас у нас. Астрономические наблюдения в оптическом диапазоне охватывают ближайшую к нам Вселенную – мир галактик. Радионаблюдения, выполненные, в частности, на спутнике WMAP, охватывают сферу последнего рассеяния. Та картинка, которая формируется на сфере последнего рассеяния, идет из так называемой ранней Вселенной, со стадии инфляции. Стадия инфляции с теоретической точки зрения достаточно хорошо изучена. Надо сказать, что многие из ее предсказаний оправдались, в частности, оправдался так называемый спектр Харрисона-Зельдовича, который сейчас наблюдают в виде флуктуации реликтового излучения.
Но есть еще одна часть, которая говорит о том, что и до инфляции что-то было. И условно этот момент времени называется "сингулярностью". Надо сказать, что сингулярность – это неотъемлемая черта, которая появляется в общей теории относительности, и до сих пор это ассоциировалось просто с некоторой особой точкой. Еще одну картинку, пожалуйста.
В.Б. Надо пояснить, сингулярность – это то, что внутри черной дыры.
А.Г. Понятно, все стремится к бесконечности.
В.Б. Если хотите. Но есть и другая точка зрения.
М.С. Вот на этой картинке показано, как представлял себе средневековый астроном, что увидит человек, заглянувший за небесную твердь. Когда Галилей изобрел свой телескоп, та картинка, которую увидели астрономы, довольно существенно отличалась от этого изображения. Надо сказать, что когда астрономы будут обладать гравитационно-волновыми приборами и смогу заглянуть внутрь черной дыры или в раннюю Вселенную, не исключено, что та картинка, которую они увидят, будет довольно сильно отличаться от этой.
А.Г. От той, которую мы сегодня имеем. Ну, что ж, сколько нам ждать осталось и в том и в другом случае? Я имею в виду, когда эксперимент будет проведен?
В.Б. Оптимистически – если вы говорите о наземных антеннах...
А.Г. И о наземных, и о...
В.Б. Когда они дадут положительные результаты?
А.Г. Результат.
В.Б. Да, результаты – положительный.
А.Г. Результат.
В.Б. Результат – это значит, что вздрогнули четыре пары зеркал. Две под Сиэтлом и две под Новым Орлеаном. Я думаю – 2008 год. Может быть, я ошибаюсь на два года. Может быть. 0,95 я даю. Могу поспорить.
Вверх