Кип Торн: «Мы не знаем, что еще сможет уловить LIGO в будущем. Это будет для ученых сюрпризом»
Американским ученым Райнеру Вайсс, Кипу Торну и Барри Баришу присудили Нобелевскую премию за открытие гравитационных волн. Вспоминаем нашу встречу с Кипом Торном, одним из основателей международного проекта по детектированию гравитационных волн LIGO, а также научным консультантом оскароносного фильма «Интерстеллар». О том, что могут рассказать гравитационные волны и каким будет новый фильм физика – в материале «Футуриста»
Наедине с Кипом Торном
Два черных пятна вращаются в странном танце. Вокруг них все переливается и рябит. Эта картинка выглядит примитивной на экране в одной из аудиторий МГУ. Но человек, который стоит на кафедре, своим рассказом возводит эти черные пиксели в масштабы Вселенной. Этим ученым был не Альберт Эйнштейн.
Кип Торн – один из основателей международного проекта поиска гравитационных волн LIGO. Многие знают его как автора идеи фильма «Интерстеллар» (2014). Два года, прошедшие с момента выхода ленты в прокат, стали для ученого триумфальными. Ведь именно LIGO выпала честь подтвердить правоту Альберта Эйнштейна.
Ему 76 лет. В «РР» писали, что он похож на хиппи, и ученый этого не отрицал. Он искренне радуется футболке, которую передают на сцену по рядам студенты МГУ.
«Там наверняка написано »Стивен Хокинг!", – шутит ученый.
После лекции Кип Торн рассказывает журналистам, что собирается снимать новый фильм вместе со Стивеном Хокингом. Вместе с Линдой Обст, научным журналистом и кинокритиком из New York Times, они подготовили научную часть сценария. Осталось договориться о художественной части фильма со сценаристом.
"Для киностудий очень важно число проданных билетов. Для меня очень важно вдохновлять людей заниматься наукой. Я надеюсь, что второй фильм, как и «Интерстеллар», приблизит науку к обществу", – говорит Торн.
У фильма уже есть киностудия и режиссер, которые известны широкой общественности, но их имена Кип Торн не разглашает.
"Из подробностей могу сказать только то, что этот фильм не будет сиквелом к «Интерстеллару», и что его будет снимать не Кристофер Нолан"
Со Стивеном Хокингом у Торна сложные отношения. Они давние друзья и коллеги, что в ранние годы не мешало им ожесточенно спорить. Однажды физики поспорили по поводу природы объекта Лебедь Х-1 и его излучения. Хокинг утверждал, что это черная дыра, а Кип Торн говорил, что нет. В итоге Хокинг признал свое поражение и вручил Торну подписку на мужской журнал Penthouse. Но если абстрагироваться от научных вопросов, позиции Хокинга и Торна схожи.
"Я согласен со Стивеном, что люди должны покинуть эту планету в ближайшее тысячелетие и колонизировать другие миры. Наша способность противостоять катастрофам, таким как удары астероидов, очень слаба. Мне очень нравятся идеи Илона Маска: я считаю, что мы должны освоить Солнечную систему, и, возможно, даже проникнуть в межзвездное пространство."
Возможно, именно смелость и широта взглядов позволили Кипу Торну и его коллегам услышать то, чего не слышал никто – гравитационно-волновое эхо столкнувшихся черных дыр.
1,3 миллиарда лет назад в отдаленном уголке Вселенной встретились два необычных объекта. Они настолько массивны, что притягивают к себе даже свет, поэтому их и называют черными дырами. Вращаясь друг вокруг друга в тесном танце, черные дыры сближались и ускорялись, постепенно теряя свою энергию. Их взаимное притяжение было столь сильным, что пространство-время вокруг них искажалось, порождая гравитационные волны, которые разбегались в разные стороны со скоростью света. В какой-то момент объекты подошли друг к другу так близко, что не смогли больше держать дистанцию и слились воедино. Этот космический "поцелуй" породил взрыв колоссальной мощности. Выделившаяся энергия всколыхнула пространство-время, и сильнейшая волна разнесла по всей Вселенной весть о рождении новой черной дыры.
Эйнштейн предсказывал существование гравитационных волн в 1916 году, основываясь на общей теории относительности. Он утверждал, что движение массивных тел с переменным ускорением создает рябь пространства, которая движется во времени со скоростью света. Однако это возмущение трудно зафиксировать, так как по мере удаления от источника оно ослабевает. Эйнштейн не верил, что ученые способны поймать сигнал гравитационных волн.
Почти столетие спустя, 14 сентября 2015 года, эхо грандиозного взрыва достигло Земли. Его зафиксировали два гравитационно-волновых детектора коллаборации LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне. Это рядовое в космических масштабах событие, названное GW150914, стало поворотным для науки. Около пяти месяцев ушло у ученых на подтверждение открытия. 11 февраля 2016 года по всему миру заголовки газет всего мира кричали: "Эйнштейн был прав!"
"Они меня убедили"
Владимир Брагинский и Кип Торн
Охота на гравитационные волны началась полвека назад. Ученые всего мира понимали, что черные дыры и нейтронные звезды сильно искажают пространство-время: нужно было лишь придумать, как это сделать. В 1960-х физик из Мэрилендского университета Джозеф Вебер собрал первый детектор гравитационных волн: это была механическая гравитационная антенна. Он был уверен, что новые технологии помогут зафиксировать слабый сигнал.
"В 1963 году я встретил Джозефа Вебера. Мы понравились друг другу. Я слушал его лекции и меня впечатлила тема гравитационных волн. В 1966 году я начал исследовать гравитацию, защитил диссертацию и пришел в Калифорнийский технологический институт в качестве молодого профессора. Я решил создать исследовательскую группу из ученых-теоретиков, которая занималась бы исследованием черных дыр, нейтронных звезд и гравитационных волн", – рассказывает Кип Торн о первых годах своей научной карьеры.
На экране – фотография молодого ученого. В этом длинноволосом безбородом юноше трудно узнать Кипа Торна. Таким он впервые приехал в Москву в 1968 году, чтобы пообщаться с Владимиром Брагинским, который в то время занимался исследованием гравитационных волн в МГУ. Брагинский опроверг заявление Джозефа Вебера об открытии гравитационных волн в 1969 году: заявленная Вебером амплитуда колебаний оказалась в миллион раз больше ожидаемого значения. Однако усилия Вебера запустили охоту за волнами по всему миру.
Поначалу Кип Торн не был убежден, что гравитационные волны возможно зафиксировать. В своей первой книге "Гравитация" он показывал, насколько слабы эти колебания пространства: длина гравитационной волны в 10 тыс. раз меньше, чем диаметр атомного ядра (10-17 см и 10-13 см соответственно). Однако разговоры с Брагинским и исследования американского ученого Райнера Вайса, который в 1972 году предложил искать гравитационные волны с помощью лазерного интерферометра, вдохновили Кипа.
"Они меня все-таки убедили", – вспоминает ученый.
В 1976 году ученый решил запустить эксперимент по поиску гравитационных волн в Калифорнийском технологическом институте. Брагинский отказался переезжать в США и стал научным консультантом группы. Уже в 1983 году был построен 40-метровый прототип будущего интерферометра. В это же время ученые из Массачусетского технологического института задумались о создании километровых интерферометров. И в 1984 году исследователи из двух институтов, Торн, Вайс и Рональд Древер, объединились и решили создать LIGO.
Гравитационно-волновая обсерватория состоит из двух детекторов, удаленных друг от друга на 3002 км (в Луизиане и Хэнфорде). Каждый детектор представляет собой Г-образную конструкцию из двух тоннелей. Луч лазера расщепляется на два перпендикулярных луча, которые попадают в свой тоннель и многократно отражается от установленных там зеркал. При сложении этих лучей образуется картина из множества полос. Гравитационная волна вызывает колебания цилиндров, к которым прикреплены зеркала. Это изменяет рисунок полос. Современные компьютеры позволяют обнаружить эти микроскопические смещения.
Работу решили проводить в два этапа: сначала создать примитивные установки, а потом установить в обсерватории усовершенствованные интерферометры. Около двух лет ученым пришлось бороться за финансирование экспериментов. В конце концов, им удалось убедить Национальный научный фонд США, и в 1994 году началось строительство обсерватории. В создании LIGO участвовало 80 институтов из 16 стран мира.
В 2002 году LIGO начала поиск гравитационных волн с помощью первых установок, однако эти эксперименты не приносили результата. К 2015 году в лаборатории установили новые интерферометры. Их чувствительность в 10 раз превышала чувствительность первой версии LIGO, и ученые гарантировали, что они точно не подведут. Уже через несколько месяцев их ожидания подтвердились: детекторы "услышали" слабое эхо слияния черных дыр.
Кип Торн вспоминает о своем коллеге Брагинском с особым чувством: его группа из МГУ активно участвовала в усовершенствовании интерферометров, и без его научных изысканий грандиозное открытие, возможно, не состоялось бы. Ученый ушел из жизни через месяц после того, как об открытии гравитационных волн объявили официально.
"Он предвидел проблемы, о которых мало кто задумывался. Более полувека лет назад, в 1968 году, он осознавал, что гравитационные волны будут открыты: возможно, не этим методом, а каким-либо еще. Он понимал, что нам придется столкнуться с поведением 40-килограммовых зеркал на квантовом уровне и предложил решение этой проблемы. Группа из МГУ под руководством Брагинского и ученые из Caltech вместе создали революционную технологию", – вспоминает Торн.
Что ждет LIGO
Столкновение нейтронных звезд в воображении художника
Одним лишь подтверждением правоты Эйнштейна LIGO не ограничится. Ученые планируют увеличивать чувствительность интерферометров трижды. Кип Торн утверждает, что к 2019 – 2020 году LIGO будет фиксировать гравитационные волны по два-три раза в месяц. Дальнейший апгрейд LIGO позволит улавливать искривления пространства, порождаемые пульсарами, сверхновыми, а также столкновениями нейтронных звезд и черных дыр. Это произойдет к 2030 году. Еще одно усовершенствование LIGO позволит охватить всю наблюдаемую Вселенную.
"Мы не знаем, что еще сможет уловить LIGO в будущем. Это будет для ученых сюрпризом", – предполагает Кип Торн.
Гравитационные волны позволят исследовать черные дыры. Эти сверхмассивные объекты состоят из искривленного пространства-времени. Гравитационно-волновая астрономия позволит составить карту черной дыры.
Огромную роль в исследовании гравитации будет играть космическая обсерватория Европейского космического агентства LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Её запуск запланирован на 2030 год. LISA позволит исследовать черные дыры с массой в миллионы солнц. Данные, полученные LIGO и LISA позволят ученым увидеть столкновение черных дыр, визуализировав это событие на компьютере. Кип Торн продемонстрировал одну из таких моделей слушателям, подробно описывая, что происходило в каждую секунду столкновения.
Кроме того, гравитационные волны позволят узнать, что происходило в первые доли секунды после рождения Вселенной – так называемую Планковскую эпоху (10-43 с). Предполагается, что сингулярность, существовавшая в момент Большого взрыва, создала пространство-время нашей Вселенной. Эхо сотворения мира до сих пор звучит – оно существует в виде реликтового излучения и, возможно, гравитационных волн.
"В новорожденной Вселенной было много насилия", – шутит Кип Торн.
Также гравитационные волны помогут проследить рождение четырех фундаментальных взаимодействий: электромагнитного, гравитационного, сильного и слабого. С их помощью ученые даже смогут проверить теорию струн и, возможно, догадаться о том, чем является Вселенная в мире множества измерений.
"У нашей Вселенной три измерения (назовем их «восток – запад», «север – юг» и «верх – низ»), и мы представляем ее себе как трехмерную мембрану (брану), которая прогибается в многомерный балк", – так объясняет этот вопрос Кип Торн в книге "Интерстеллар: наука за кадром".
После лекции ученый выглядит уставшим. Рассказывать много лет об одном и том же тяжело. Но для студентов он кто-то вроде рок-звезды: аудитория напоминает переполненный концертный зал. Организаторы пытаются организовать толпу, которая заполонила проходы между рядами, с помощью рупора, а звукорежиссеры ищут колонки, чтобы вывести синхронный перевод в коридор, в котором остались те, кто не поместился в зал. Пожилого ученого ждут в коридоре с книжками, дисками с "Интерстелларом", фотографиями и наспех вырванными страницами из тетрадей.
Комментарии