Профессор гонит волну

Черная дыра начинает возвращаться в равновес­­ное состояние. Черная полоса по центру — поверхность черной дыры

Ловля гравитационных волн до сих пор была одним из самых безнадежных упражнений для физиков. Первопроходцем в этом деле был вовсе даже не Торн, а наш соотечественник, профессор Владимир Брагинский. Еще в 70-е годы с его легкой руки в подвале университетского физфака были установлены самые первые детекторы, долженствующие различить искомые волны среди густого месива других волн. Гравитацию тогда пытались ловить так называемыми весами Этвеша. Весы были особенные и должны были реагировать на малейшие колебания. Но на земле-матушке так много чего колеблется, что весы все время что-то показывали.

Однажды все-таки удалось засечь один четко воспроизводимый результат. Каждый вечер в одно и то же время прибор показывал одно и то же нарушение равновесия. Тогда весь физфак замер в трепетном ожидании. Но Брагинский быстро испортил праздник. Оказалось, что прибор честно фиксировал момент, когда последние трамваи с Университетского проспекта дружной толпой отправлялись в парк.

Для того чтобы уловить пространственные судороги Вселенной, нужен был конкретно наблюдаемый объект, чье гравитационное излучение было бы огромным. Но какой объект? Где его искать? Гравитацию излучает в общем-то все, что есть, точнее, имеет массу. Но так слабо, что зафиксировать это наземными способами просто нереально. И Земля, и Солнце отлично демонстрируют ньютоновский закон всемирного тяготения, но в смысле гравитационных волн они совершенно бесполезны.

Надо было искать во Вселенной какое-то особое, сверхгравитационное событие. Первым, кто предположил, что такое событие существует и его можно наблюдать в реальности, был еще один российский физик, знаменитый Яков Зельдович. Торн любит рассказывать историю о том, как однажды, приехав в Москву в 1971 году, был разбужен звонком Зельдовича часов в пять утра. Яков Борисович, известный своими привычками жаворонка, потребовал, чтобы Торн срочно к нему приехал. Сонный Торн отправился к Зельдовичу, проклиная все на свете.

Яков Борисович бегал по кабинету и, размахивая руками, нес нечто странное. Вращающиеся черные дыры, утверждал Зельдович, будут излучать мощнейшие гравитационные волны. Их надо искать и ловить. «Чушь! — возражал не до конца проснувшийся Торн. — С какой стати?! Земля тоже вращается и ничего особенного не излучает». Зельдович хватался за голову и возмущался глупостью своего юного коллеги (Торну тогда было всего-то 31 год). «Они будут излучать гравитацию так же, как вращающийся металлический диск будет порождать электромагнитное поле!» — утверждал Зельдович. Торн терпеливо выслушивал ночные бредни почтенного физика и пожимал плечами.

Инцидент не имел бы продолжения, если бы не совместные работы Торна и Стивена Хокинга о черных дырах. Расчеты, проделанные за последующие пять лет, показали, что Зельдович был абсолютно прав. Вращающиеся черные дыры действительно порождают мощнейшие гравитационные волны. А если представить себе, что две такие дыры сталкиваются, продолжал рассуждать Торн, мы получим один из самых сильных гравитационных спазмов Вселенной! Так был найден объект поиска — беспроигрышный объект, чья гравитационная энергия максимальна и может быть зафиксирована. С этого момента вся жизнь Торна в науке подчинена исключительно этому грандиозному сюжету.

— Нас интересует, что происходит, когда две черные дыры сталкиваются, — разносится с кафедры спокойный голос Торна. — С точки зрения фундаментальных понятий черные дыры, сталкиваясь, неизбежно обнаруживают нелинейную динамику искривленного пространства-времени. Это и есть то, что я пытаюсь понять.

Торн поднимает руку, чтобы нажать кнопку на клавиатуре презентационного компьютера.

— Чтобы все это посчитать, нужно попробовать визуализировать процесс столкновения, — поясняет он. — Долгое время мы могли представить себе только фрагменты искривленного пространства-времени. Но где-то год назад группа молодых исследователей придумала новый метод, который позволяет увидеть картину в целом.

Неторопливый, похожий на старого мудрого сома Торн оборачивается к залу, полному студентов, и улыбается:

— В этой группе все моложе меня в два, а то и в три раза. Какое же наслаждение работать с совсем молодыми людьми! Они все умнее меня. Я, может, немножко мудрее. Это единственное, чем я могу быть им полезен…

Черная дыра почти вернулась в равновесное состояние

Торн наконец нажимает свою кнопку, и вместо девушки на экране появляются два аккуратных пятнышка, желтое и синее. Пятна, объясняет Торн, — это черные дыры, а цвета обозначают направления вращения: по часовой стрелке и против. По мере сближения пятна вытягиваются навстречу друг другу, а цвета начинают меняться местами. Желтое пятно синеет, синее желтеет. Постепенно оба пятна сливаются в одно, синий и желтый цвета долго пульсируют на его поверхности. Это модель. В реальности же каждое из двух скромных пятнышек на экране представляет собой нечто вроде пучка из колоссальных торнадо, где вместо воздушной воронки вращается воронка пространства.

— В районах полюсов черной дыры возникает как бы вихрь, я это называю вортекс, — говорит Торн. — Если вы хотите совсем простой картинки, то эти вихри-вортексы связаны с вращающейся черной дырой так же, как мои руки связаны с моим телом, когда я кручусь на одном месте. На северном полюсе каждой дыры вортекс закручивается по часовой стрелке, а на южном — против часовой. При этом сами черные дыры вращаются в разные стороны. Когда они сталкиваются, внутри такого конгломерата возникает внутренняя вибрация. В этот момент черные дыры обмениваются завихрениями, то есть направлениями вращений этих вортексов.

На экране опять возникает девушка. Похоже, бедняжка попала в страшную переделку. Судьба ее печальна.

— Я хочу вам напомнить, что, будучи частью пространства, вы не можете избежать искривления, оказавшись в непосредственной близости к черной дыре, — вежливо замечает Торн. — Когда девушка падает, допустим, на северный полюс черной дыры, происходит следующее. Там есть эффект турбулентности. Он все закручивает. При этом голова и ноги закручиваются в разные стороны. Любой протяженный предмет будет разорван на две части. Из-за разницы в скоростях вращения голова будет видеть ноги, вращающиеся против часовой стрелки, а ноги увидят голову вращающейся по часовой стрелке. То есть наблюдатель со стороны видит, что они вращаются в разные стороны.

Девушку, конечно, жаль, но самое интересное будет происходить во Вселенной вокруг. И тут придется вернуться к той самой метафоре Зельдовича, которую Торн впервые услышал ранним утром 1971 года: металлический диск, порождающий электромагнитное поле. Где поле, там и волна. Как там в школьной физике? У неподвижного электрического заряда есть свое электрическое поле. Но стоит заряду начать двигаться, как возникает вторичное, связанное с ним магнитное поле, которое в свою очередь порождает электрическое, и так далее. Это распространение по пространству порождающих друг друга полей и есть электромагнитная волна. На таинственное сходство гравитации и электромагнетизма обращали внимание давно. Но именно Торн первым догадался, как ураган пространства вокруг черных дыр воспроизводит этот же принцип.

— Так же, как движущийся заряд рождает переменное электромагнитное поле, — поясняет Торн ключевой момент теории, — движущиеся гравитационные вихри рождают вторичное, связанное поле. Когда это связанное поле перемещается по пространству, оно создает волну искривления. Пространство начинает содрогаться, что и порождает гравитационную волну.

Сам пространственный вихрь, исходящий из полюса черной дыры, Торн именует вортексом, а расходящееся вокруг вторичное поле — тендексом. При этом вортекс оказывается аналогом электрического поля, а тендекс — магнитного.

Во время катастрофических столкновений черных дыр такие судороги прокатываются по Вселенной со скоростью около 400 км/с. Мощность этих волн колоссальна. Точно установлено, что при столкновении черных дыр 10% их массы превращается в гравитационное излучение. Для примера скажем, что при столкновении частиц, происходящем в Большом адронном коллайдере, в гравитационные волны уходит лишь менее 0,5% их массы. «Светимость» (то есть, грубо говоря, энергия) порождаемой гравитационной волны составляет примерно 10% совокупной энергии сталкивающихся черных дыр. Это приблизительно 10 тысяч «светимостей» гравитационных излучений всех звезд Вселенной вместе взятых. «Светимость» гравитационной волны двух столкнувшихся черных дыр превысит гравитационную «светимость» Солнца в 1034 раза.

Именно такие волны, уверен Торн, и можно будет наблюдать в реальности.

— Разрешите мне сделать предсказание, — скромно улыбаясь, говорит профессор. — В течение ближайших лет пяти мы сможем детектировать гравитационные волны наземными приборами. Их частоты будут располагаться в диапазоне от 10 до 10 000 гц. Черные дыры, их испустившие, будут соответствовать от двух до тысячи масс Солнца.

Гравитационные уши

Разумеется, вслушиваться в гравитационную жизнь Вселенной будут не те наивные весы, с которыми начинали охоту на волны в 70-х. Вот уже как лет тридцать назад специалисты нескольких ведущих физических лабораторий мира под руководством Торна начали создавать прообразы так называемых интерферометров, использующих для наблюдения фазовый сдвиг лазерного луча. Формально говоря, устройство такого интерферометра предельно просто. Берем два зеркала, устанавливаем друг напротив друга и пускаем между ними лазерный луч. При прохождении гравитационной волны поверхность зеркала испытает некое искажение, а приборы покажут некоторый сдвиг фаз при прохождении луча. Вот и все. Вот только расчеты показали, что для достижения нужной точности система должна представлять собой сложнейшую конструкцию в форме буквы «г» с двумя четырехкилометровыми плечами и высоким вакуумом внутри.

Черная дыра вернулась в исходное состояние

Два года Торн уговаривал Национальный научный фонд США (NSF) вложиться в эту затею. Стоимость проекта оценивалась в запредельную по тем временам сумму 365 миллионов долларов. Кроме твердой веры Торна, никаких других доказательств потенциальной эффективности идеи в природе не существовало. В 1992 году чудо случилось. Контракт с NSF был подписан. Кип Торн вместе с двумя коллегами основал лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию, или проект LIGO, ставший самой дорогостоящей инициативой NSF за всю историю его существования.

— Сейчас в LIGO участвуют 150 ученых из 75 стран мира. Когда в 89-м году мы предложили этот проект, — вспоминает Торн, — нам пришлось разбивать его на два этапа. Технология была настолько сложна, что первый этап заключался просто в приобретении чернового опыта на имитационных интерферометрах. Они ничего не могли засечь, но надо было понять, как это работает. Чуть меньше двух лет назад мы наконец перешли к инсталляции интерферометров, нацеленных собственно на засекание волн. Их установка закончится к концу 2013 года. Еще три года я кладу на настройку. И вот к 17-му году я прогнозирую возможность успеха.

Фантастические по сложности и точности Г-образные громады уже построены в Ливингстоне (штат Луизиана), Хэнфорде (штат Вашингтон), Пизе и Ганновере. Эти гравитационные уши способны фиксировать сигнал с точностью до 10–22, находящийся на расстоянии 4 миллиардов световых лет.

— Должен сказать, что как теоретик я восхищен техникой LIGO, — разводит руками Торн. — Разность хода луча на расстоянии четыре километра между зеркалами составляет 10–4 секунды! Это впечатляет.

Сидящих в зале физиков впечатляет не тот факт, что раньше был плохой прибор, а теперь построили хороший. Впечатляет совсем другое. А именно, мера точности. Цифры, озвученные Торном, знаменуют переход к принципиально новому классу измерений на границе так называемого стандартного квантового предела. За этим пределом любое измерение по определению становится некорректным. Просто потому, что сам факт наблюдения будет нарушать измерительную точность.

Компьютерная симуляция гравитационных волн, излученных черной дырой при ее возмущении. Высота и цвет каждого пика представляют различные характеристики волн

— Впервые в истории мы будем наблюдать квантовое поведение объектов человеческого масштаба, — объясняет Торн. — Это смена парадигмы мышления в макроскопических измерениях. Мы до сих пор никогда не сталкивались с ситуацией, к которой экспериментаторы давно привыкли в микромире. Эта ситуация связана с принципом неопределенности Гайзенберга. До LIGO все наблюдения в макромире могли быть неточны только по причинам человеческого фактора. А сейчас мы столкнулись с принципиальным запретом самой природы на абсолютную точность…

Кстати, мысль о том, что 40-килограммовые зеркала интерферометров будут вести себя как квантовые объекты, впервые посетила не Торна, а все того же профессора Брагинского. Последний потратил лет двадцать на то, чтобы убедить американского коллегу в необходимости учитывать принцип Гайзенберга в экспериментах. Торн совершенно не верил, что Брагинский говорит это всерьез. Только перейдя к установке действующих интерферометров, Торн столкнулся с этим эффектом на практике. Пришлось просить Брагинского придумать систему, которая бы гасила квантовую повреждаемость объекта. Иначе интерферометры снова показывали бы только движение трамваев.

Зачем мне бог?

Лекция давно кончилась, зал отгремел аплодисментами, а мы сидим в холле гостинцы и продолжаем расспрашивать Торна о том, что он думает о Вселенной и жизни вообще. Несмотря на дорогой костюм и манеры джентльмена, в Торне есть что-то глубоко неформальное, хипповское.

— А я и есть хиппи, — поднимает брови Торн. — В молодости у меня были длинные волосы. Сейчас я такие носить уже не могу, поэтому я их просто брею. Когда я приезжал в Советский Союз в 80-х годах, мои сопровождающие всегда за меня извинялись. Мы приходили в какой-нибудь ресторан, и официанты отказывались меня пускать. Тогда мои друзья говорили: «Вы извините его, он американец».

Стиль Торна и в науке, и в жизни по-хорошему монументален. Он один из десятка ученых, которые отвечают за мировой научный фронтир и определяют содержание учебников физики на ближайшие лет пятьдесят. Свой научный бизнес этот хиппи умеет делать так, что за его результатами следит весь мир.

Чего стоят его знаменитые пари! Первое, заключенное между Торном и Хокингом, было оформлено документально в 1974 году. Спор шел о галактике Лебедь Х-1. Судя по данным астрономов, там располагался некий объект, испускающий мощное рентгеновское излучение. И Торн, и Хокинг страстно хотели, чтобы это была черная дыра — первая из реально зафиксированных. Решили так: Хокинг поставит на то, что дыры нет, а Торн — что дыра есть. Если Хокинг победит, все его представления о Вселенной можно будет выбросить в мусорное ведро, а ему самому в порядке утешения придется четыре года читать журнал «Частный взгляд». Если выиграет Торн, ему достанется годовая подписка на «Пентхаус». По счастью, победил Торн.

Википедия сообщает и о втором знаменитом пари — между Торном и Хокингом с одной стороны и физиком Джоном Прескиллом — с другой. На сей раз на кону стояло полное издание Британской энциклопедии. Тоже не шутка. Торн досадливо морщится.

— В Википедии обо мне написано только семьдесят процентов правды, остальные тридцать — вранье. Напомните мне, о чем там?

— Куда девается информация из черных дыр. Вы с Хокингом утверждали, что она уходит в параллельную Вселенную и полностью теряется, а Прескилл считал, что она возвращается в наш мир, но такой, что расшифровать ее уже невозможно.

В 1988 году Торн опубликовал знаменитую статью про кротовые норы и машину времени, где доказал, что путешествия во времени не противоречат базовым законам Вселенной. Ехидный Хокинг поместил в своей книге «Мир в ореховой скорлупке» небольшой комикс, посвященный Торну. По хокинговской версии, Торн, отправившись на машине времени в прошлое, случайно встречает собственного дедушку. Они ссорятся, и в разыгравшейся драке Торн-младший убивает Торна-старшего. В результате убийца уже не может существовать в прежнем виде: дедушка погиб, так и не успев родить папу.

По счастью, это всего лишь шутки физиков. Живой и здоровый Торн между тем продолжает:

— Около сорока лет физики пытались найти способ спасти принцип сохранения информации в ситуации с черными дырами. Хокинг на основе доводов других ученых пришел к выводу, что информация не теряется. Это было на конференции в Дублине в 2004 году. Хокинг тогда прочитал большую лекцию, где отказался от нашей первоначальной аргументации и признал победу Прескилла. Честно сказать, я его доказательства не понял. Точка зрения некоторых очень хороших физиков отличается от хокинговской. Они склоняют меня все еще считать пари открытым. Все зависит от того, как мы представляем себе законы квантовой гравитации.

Какое пари вы бы сейчас заключили на годовую подписку «Русского репортера»? — вежливо интересуемся мы.

— Заманчивое предложение! — смеется Торн. — Но у меня сейчас нет готового пари.

Может быть, на обнаружение гравитационных волн?

— Я уже заключал пари на обнаружение гравитационных волн. И все их проиграл, — сокрушенно качает головой Торн. — Я проигрываю пари, потому что неправильно предсказываю не то, что произойдет, а когда. Я рассчитывал обнаружить гравитационные волны еще в начале 90-х годов, когда запускали проект LIGO. Потом я предсказывал, что мы увидим их к 2000 году. Но все оказалось сложнее и дольше. В этих задержках я  виню лично президента США Буша-младшего и его стратегию «никаких новых проектов». Виню я и NАSА. Последнее время там отвратительный менеджмент. Они страшно боятся всего, что не гарантировано на сто процентов.

Кип Торн на дискуссии с коллегами. Архивная фотография 1972г, Торн – третий слева

— Нужен ли вам бог в ваших исследованиях? — спрашиваем мы. Вопрос не случаен. Торн приехал в Москву, чтобы выступить на научной конференции, посвященной памяти его старого друга и коллеги физика Виталия Гинзбурга, который был известен как воинствующий атеист, считающий религиозность несовместимой с наукой. Научная молодежь с ним не соглашалась. Кому, как не физику, знать о гениальной конструкции Вселенной? А также о том, что история ее вовсе не случайна.

Торн вежливо улыбается и отрицательно качает головой.

— Нет, — просто говорит он, — для меня лично этот вопрос неинтересен. Гипотеза бога, как мне кажется, совершенно бесполезна. Может быть, это связано с той областью, которой я занимаюсь. Я пытаюсь понять, как Вселенная работает. Это моя всепоглощающая страсть. Я фундаментальный ученый. Зачем мне бог, если я занимаюсь тем же самым?

На начало статьи

www