Глава 10.
Увидеть гравитацию
Как было однажды объявлено, первым человеком, наблюдавшим гравитационные волны, является Джозеф Вебер. Он экспериментировал в этой области практически в одиночку. В конце 1960-х и начале 1970-х полученные им результаты прославлялись в качестве основных достижений теории относительности. Однако к 1991 году все закончилось. Как он сказал в интервью для местной газеты: «Хотя в этой области мы самые главные, с 1987 года меня никто не финансирует».
На первый взгляд ситуация казалась до странности несправедливой. На пике карьеры Вебера результаты его работы обсуждались на всех основных конференциях по общей теории относительности наряду с нейтронными звездами, квазарами, горячим Большим взрывом и излучающими черными дырами. Бесчисленные статьи пытались дать им объяснение. Вебер был бесспорным кандидатом на Нобелевскую премию. А затем с той же стремительностью, с которой он поднялся к вершинам известности, Вебер был низвергнут на задворки науки. Избегаемый коллегами, игнорируемый спонсорами, не имеющий возможности публиковаться в основных журналах, Вебер был приговорен к долгой и одинокой научной смерти, превратившись в избыточное и неудобное примечание к истории общей теории относительности. Некоторые даже утверждали, что только после падения Вебера начался реальный поиск гравитационных волн.
Гравитационные волны для гравитации — все равно что электромагнитные волны для электричества и магнетизма.
Показав, что электричество и магнетизм можно описать в рамках одной всеобъемлющей теории — электромагнетизма, Джеймс Клерк Максвелл заложил фундамент для открытия Генрихом Герцем колеблющихся с разными частотами электромагнитных волн. В видимом диапазоне эти волны воспринимаются нашими глазами как обычный свет. На меньших частотах речь идет уже о радиоволнах, атакующих наши радиоприемники, передающих данные между ноутбуками по беспроводному соединению и позволяющих наблюдать чрезвычайно активные квазары в далеких закоулках Вселенной.
Через несколько месяцев после разработки общей теории относительности Альберт Эйнштейн показал, что пространство-время может содержать волны. Эти волны вызывают рябь как в пространстве, так и во времени. В этом смысле пространство-время напоминает пруд: стоит бросить в него камень, как по поверхности из одного конца в другой начинают разбегаться волны. И аналогично электромагнитным волнам и волнам на водной глади, гравитационные волны могут переносить энергию из одного места в другое.
Однако в отличие от электромагнитных волн обнаружить гравитационные волны оказалось крайне сложно. Они малопроизводительны в плане переноса энергии гравитационных систем. Вращаясь вокруг Солнца на расстоянии 150 миллионов километров от него, Земля медленно теряет энергию через гравитационные волны и сдвигается в сторону Солнца, сокращая расстояние на мизерную величину — примерно на ширину протона в день. Это означает, что за все время своего существования Земля приблизится к Солнцу примерно на миллиметр. Даже влияние достаточно массивного объекта, способного генерировать огромное количество гравитационных волн, в процессе путешествия через пространство-время превращается в слабый шепот. На самом деле пространство-время больше напоминает не пруд, а невероятно твердый лист стали, лишь слегка вздрагивающий даже от очень сильных ударов.
Остальные физики концепцию гравитационных волн не воспринимали. В течение почти полувека после того, как Эйнштейн обосновал их существование, многие отказывались верить в их реальность. Их считали еще одной математической странностью, которую можно было объяснить при глубоком понимании общей теории относительности. К примеру, Артур Эддингтон безапелляционно отвергал существование гравитационных волн. Повторив вычисления Эйнштейна и проследив, каким образом в теории появляются гравитационные волны, он продолжал утверждать, что это не более чем артефакт, зависящий от способа описания пространства и времени. Они явились следствием ошибки, неоднозначности в маркировке положений пространства и времени и от них можно избавиться. Это не настоящие волны, и в отличие от электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, Эддингтон отказывался признавать волны, распространяющиеся со «скоростью мысли». По удивительному стечению обстоятельств сам Эйнштейн решил, что в исходные вычисления вкралась ошибка, и в 1936 году вместе со своим молодым ассистентом Натаном Розеном опубликовал в журнале Physical Review статью, в которой доказывал невозможность существования гравитационных волн.
Самые убедительные аргументы в пользу гравитационных волн привел Герман Бонди на встрече в Чапел-Хил в 1957 году. Бонди, возглавлявший в Королевском колледже в Лондоне группу, занимающуюся теорией относительности, предложил простой мысленный эксперимент. Нужно пропустить стержень через два расположенных на небольшом расстоянии друг от друга кольца. Кольца должны быть плотно «надеты» на стержень, но при этом сохранять способность перемещаться вдоль него. Проходящая гравитационная волна на стержень влиять практически не будет, так как он слишком жесткий, чтобы ее ощутить. А вот кольца начнут смещаться вверх и вниз, как прыгающие на поверхности моря буйки. При прохождении волны они станут двигаться вдоль стержня взад-вперед, то сдвигаясь, то расходясь. Из-за трения о стержень в этом процессе будет выделяться энергия. А поскольку этой энергии неоткуда взяться, кроме как от гравитационной волны, следует вывод: гравитационные волны способны переносить энергию. Аргумент Бонди был простым и действенным. Аналогичные рассуждения представил присутствовавший на встрече Ричард Фейнман, что позволило убедить большинство собравшихся. Оставалось только на самом деле обнаружить гравитационные волны. Джо Вебера, который тоже был на конференции в Чапел-Хил, обсуждение просто заворожило. Бонди, Фейнман и остальные могли сколько угодно сидеть на месте, обсуждая реальность гравитационных волн, а он займется практической стороной вопроса и начнет их поиск.
Вебер был из того сорта людей, для которых не существует слова «невозможно». Одержимый стремлением делать все своими руками, он еще подростком научился чинить радиоприемники и зарабатывал этим на жизнь. Талантливый мечтатель, постоянно расширяющий границы известных технологий, он конструировал экспериментальные установки из минимального набора ресурсов и использовал их для исследования границ физического мира. Энергия пронизывала все сферы его жизни; каждое утро он пробегал три мили и почти до восьмидесяти лет целыми днями работал.
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».
Еще более вопиющий случай имел место, когда Вебер объединил свои усилия с группой экспериментаторов из Рочестерского университета. Сравнив данные из Мэриленда и Рочестера, он обнаружил множество совпадений, признаков вибраций, возникавших в двух местах одновременно, что однозначно указывало на гравитационные волны. Однако оказалось, что Вебер неверно понял способ регистрации времени, которым пользовалась рочестерская группа, и поэтому выявленные им совпадения на самом деле возникали на четыре часа позже. После того как временная задержка была скорректирована, Вебер снова проанализировал данные и опять обнаружил совпадения.
Открытие Вебера выглядело неуязвимым в смысле ошибок в измерениях и расчетах. Он мог обнаруживать совпадения везде. А совпадения означали гравитационные волны. Непоколебимая способность Вебера обходить ошибки оказала разрушительное влияние на его репутацию. Его не смущал тот факт, что больше никто не мог воспроизвести полученные им результаты. Уважаемый экспериментатор Ричард Гарвин написал в журнал Physics Today статью под заголовком «Сомнения в обнаружении гравитационных волн», в которой систематически разбирался выполняемый Вебером анализ данных и его эксперименты и делалось заключение, что обнаруженные совпадения «возникали не из-за гравитационных волн, более того, они не могли возникать по этой причине». Сообщество релятивистов отвернулось от Вебера. Несмотря на поток публиковавшихся в свое время резонансных статей, рейтинг его публикаций упал. Иссякло финансирование, так как все большее число коллег отказывалось поддерживать его бесплодные эксперименты. К концу 1970-х Вебер был изгнан из мирового научного сообщества.
Хотя эксперименты Вебера были скомпрометированы, они дали хорошие плоды. Из всей этой путаницы родилась новая область исследований. Астрономы поняли, что кроме фиксации электромагнитных волн, в частности световых волн, радиоволн и рентгеновского излучения, существует новый объект для исследования Вселенной — гравитационные волны. Более того, с помощью гравитационных волн можно было заглянуть в самые дальние закоулки пространства-времени, куда не проникают обычные телескопы. К оптической, радио- и рентгеновской астрономии присоединилась гравитационно-волновая астрономия.
В 1974 году два американских астрофизика, Джо Тейлор и Рассел Хале, обнаружили не одну, а две нейтронных звезды, вращающиеся относительно общего центра масс по очень компактной орбите. Одна из этих звезд представляла собой пульсар, испускающий световые вспышки каждые несколько тысячных секунды и легко отслеживаемый в процессе перемещений вокруг своего притихшего компаньона. Так как эти нейтронные звезды двигались вокруг общего центра, Тейлор и Хале смогли с удивительной точностью измерить их позиции. Так они обнаружили новую идеальную лабораторию для проверки общей теории относительности. Эйнштейн утверждал, что подобные объекты испускают энергию в окружающее пространство-время, поэтому их орбиты будут постепенно сокращаться, пока, в конце концов, они не упадут друг на друга. Позднее он отказался от данного утверждения, но все расчеты сохранились и были доступны для проверки. Именно такую проверку и позволял сделать миллисекундный пульсар Халса и Тейлора.
В 1978 году на девятом Техасском симпозиуме в Мюнхене Джо Тейлор объявил о полученных результатах. После четырех лет наблюдений он мог уверенно утверждать, что орбита действительно сокращается, причем в полном соответствии с предсказаниями Эйнштейна. Две нейтронные звезды, вращающиеся относительно общего центра масс, теряют энергию посредством гравитационного излучения. Доказательство гравитационного излучения было косвенным, тем не менее оно определенно присутствовало. Все красиво согласовывалось с теорией, а результаты измерений были четкими и однозначными. Гравитационные волны действительно существовали.
На руинах опытов Вебера родилась новая область экспериментальной науки. Различные группы по всему миру создавали собственные детекторы. Некоторые дорабатывали исходную конструкцию Вебера, сильно охлаждая цилиндры, чтобы избежать вибраций при комнатной температуре. Другие меняли форму приемников, создавая сферы, чтобы обеспечить чувствительность к волнам, приходящим с любой стороны. Однако сигналы, за которыми они охотились, были столь краткими и иллюзорными, что требовались детекторы большего размера и лучшего качества с огромной чувствительностью, способные зафиксировать рябь в пространстве-времени. Однако существовал подход, выделявшийся на общем фоне благодаря своей большей действенности и вместе с тем намного большей стоимости: лазерная интерферометрия.
Лазерный интерферометр объединил в себе лучшие инструменты современной физики. В нем используется лазерный луч — невероятно сфокусированный свет. Правильно настроенный лазер может осветить расположенный за много миль от него кончик карандаша. Фактически Джо Вебер стал одним из первых ученых, предложивших концепцию лазера. Это произошло еще до его увлечения гравитационными волнами. Он сделал это одновременно с Чарльзом Таунсом из Колумбийского университета, но его вклад так никогда в полной мере и не был оценен. Не попал он и в число награжденных в 1964 году Нобелевской премией за это открытие.
Лазерная интерферометрия использует также способность света проявлять волновые свойства. Представьте волны в океане. При столкновении двух волн с одной длиной возникает интерференция. Это означает, что при столкновении двух волн в момент, когда обе волны на гребне, они арифметически складываются, и результирующая волна получает более высокий гребень (и более глубокую впадину). Но если волна на гребне сталкивается с волной, находящейся в нижней точке, они компенсируют друг друга и взаимно уничтожатся. Разумеется, между этими двумя крайними случаями существует целый спектр вариантов поведения.
Эти два свойства лазерного луча можно использовать для распознавания минимальных перемещений объектов под действием гравитационных волн. Порядок действий является следующим. Нужно подвесить два массивных объекта на некотором расстоянии друг от друга и каждый из них осветить лазером. Отражаемые объектами лучи начнут интерферировать друг с другом, образуя узоры в зависимости от длины волны и пройденного расстояния. Интерференционная картинка изменится даже при минимальном смещении одного из объектов. Следя за этой картинкой, можно обнаружить микроскопические перемещения, вызванные гравитационными волнами. Точность и достоверность такого эксперимента будут намного выше, чем при работе с детекторами Вебера.
Лазерная интерферометрия подразумевает совершенно новый, по крайней мере для релятивистов, способ заниматься наукой. Обычно работа над теорией относительности велась с карандашом и бумагой, а эксперименты ставились очень редко. Существовало несколько лабораторных установок, но сотрудничество между университетами и институтами было весьма скромным. Ничего общего с физикой элементарных частиц и ядерной физикой с их гигантскими ускорителями и реакторами. Но теперь требовалась новая культура, подразумевающая трату десятков и даже сотен миллионов долларов на экспериментальные установки. На смену группам из нескольких человек шли организации с сотней ученых и технических специалистов.
На этот раз все следовало сделать правильно. Исследователи уже знали, что они хотят найти. Было понятно, что гравитационные волны должны исходить от объекта, раздвигающего границы теории. Пульсары Халса и Тейлора выглядели вполне безобидно — просто две компактные звезды, вращающиеся вокруг общего центра. Однако создавалось впечатление, что они вполне в состоянии испускать волны в таком количестве, которого достаточно для уменьшения энергии, поддерживающей их орбиты. Нейтронные звезды находятся практически на грани взрыва и в достаточной мере искажают пространство и время, чтобы высветить теорию Эйнштейна во всем ее блеске.
Одним из возможных источников множества гравитационных волн является сверхновая. Сверхновыми называют взрывающиеся звезды, которые на несколько секунд начинают светиться ярче, чем миллиарды звезд в галактике вместе взятые, а потом превращаются в нейтронные звезды или черные дыры. Сверхновая в любой момент своего существования является самым ярким объектом на небе. Так как она является сильным источником электромагнитных волн, астрофизики предположили, что ее энергии может хватить на то, чтобы завязать в узел и встряхнуть пространство-время, породив множество гравитационных волн. В 1987 году сверхновая вспыхнула в Большом Магеллановом облаке, находящемся на расстоянии примерно 160 000 световых лет от Земли. Ее можно было наблюдать через обычные телескопы. Ко всеобщему стыду, ни один из детекторов, пытающихся зафиксировать гравитационные волны, в тот момент запущен не был. Исключая детекторы Джо Вебера. Он заявил, что кое-что обнаружил, но, как обычно, был проигнорирован.
К сожалению, сверхновые слишком непредсказуемы, и хотя при гигантском взрыве может действительно выделяться огромное количество энергии, к моменту, когда гравитационные волны достигают установленных на Земле детекторов, они превращаются в слабый всплеск. Их легко спутать со случайной шумовой помехой, повлиявшей на показания инструмента. Нет, тут требовался чистый сигнал, пусть даже слабый, но с определенными, хорошо известными очертаниями и формой, бросающийся в глаза, как знакомое лицо в толпе.
Предпосылки к успеху были. Сигнал от гравитационной волны обнаруженных Халсом и Тейлором нейтронных звезд в принципе можно было рассчитать с точностью, достаточной для последующего исследования. В отличие от беспорядочного набора волн, возникающих в момент взрыва, сигнал от гравитационной волны должен быть регулярным и периодическим, как сирена, и меняться во времени по мере того, как нейтронные звезды расходуют энергию и приближаются друг к другу. Это должен быть простой сигнал, легко описываемый и, возможно, даже легко регистрируемый.
Но зачем этим ограничиваться? Почему не добиться максимального эффекта? Более сильный сигнал можно получить от нейтронной звезды, которая вращается вокруг черной дыры, постепенно погружаясь в нее, а уж система из двух черных дыр, как ничто другое в теории Эйнштейна, способна деформировать пространство и время. Две черные дыры, вращающиеся по орбитам с общим центром, являются постоянными источниками гравитационных волн. По мере их приближения друг к другу интенсивность этих волн должна повышаться, пока, практически в момент слияния, они не отправят в пространство импульс, а затем пучок гравитационных волн, которые исчезнут после объединения дыр друг с другом. Именно такую форму волны должны отслеживать инструменты: движение по спирали, импульс и ослабление сигнала во времени. Эти так нужные релятивистам двойные системы, как драгоценные камни, скрываются где-то в глубинах космоса. Их-то и должен был обнаружить детектор гравитационных волн.
Задача казалась простой — следить за приближающимися друг к другу по спирали нейтронными звездами и черными дырами. Однако какого-то важного информационного фрагмента здесь не хватало. Что должен был увидеть детектор гравитационных волн? Как, достигнув аппаратуры, будут выглядеть движение по спирали, импульс и ослабление? Наблюдателям — новому поколению гравитационно-волновых астрономов — нужно было точно знать, какого сигнала они ожидают. Именно это точное знание позволило бы выделить сигнал из шума, неизменно загрязняющего данные. Для ответа на этот вопрос следовало вернуться к старинной проблеме — к решению уравнений Эйнштейна. На этот раз требовалось точное математическое решение, описывающее вид гравитационных волн. Многолетние попытки борьбы с этими уравнениями окончились ничем. Осталось применить для этого мощный компьютер и посмотреть, что произойдет при коллапсе двух черных дыр, вращающихся по орбитам с общим центром.
Чарльз Мизнер, один из учеников Джона Уиллера, еще в 1957 году на конференции в Чапел-Хилл предупреждал о коварстве этих уравнений. В попытках распутать этот жуткий нелинейный клубок, оставленный в наследство Эйнштейном, нужно было проявлять большую осторожность, потому что, по словам Мизнера, было всего два возможных исхода: «либо программист застрелится, либо компьютер взорвется». В итоге случилось второе. В 1964 году, когда один из бывших учеников Уиллера Роберт Линдквист попытался провести компьютерное моделирование, в программе возникла критическая ошибка. По мере приближения черных дыр друг к другу ошибки в решении нарастали, и очень быстро компьютер начал выдавать мусорные данные — с ним случилось числовое недержание. Ошибки были столь труднопреодолимыми, что Линдквист предпочел отступить.
В 1970-х попытку с помощью компьютера понять, что происходит при столкновении двух черных дыр, предпринял Брайс Девитт. Квантовая гравитация всегда была его страстью, а во время работы с Эдвардом Теллером в рамках проекта по созданию бомбы в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии он научился моделировать на компьютере сложные уравнения. В Техасе он поставил перед своим учеником Ларри Смарром задачу рассчитать, какова величина гравитационного излучения, возникающего после столкновения двух черных дыр. Написанную программу запустили на большом компьютере Техасского университета и смогли приблизительно представить себе, на что может быть похожа гравитационная волна. Затем снова возникла критическая ошибка, и пошел поток бессмысленной информации. Это был проблеск волны, но слишком слабый, чтобы им можно было воспользоваться. Сингулярности пространства-времени подняли свои уродливые головы и уничтожили результат.
Следующие три десятилетия команды программистов продолжали безуспешно работать над моделированием двойных систем. Дело двигалось, но, как вспоминал Франс Преториус, релятивист из Принстонского университета, «простые подходы не срабатывали, никто точно не знал почему, люди пытались что-то нащупать в темноте. Дело осложнялось недостатком вычислительных ресурсов, которые требовались для решения задачи в полной форме». В 1990-х проблема столкновения черных дыр считалась в США одной из фундаментальных задач вычислительной физики, и различным группам выделялись миллионы долларов на покупку суперкомпьютеров и запуск их программ. Время от времени там наблюдались улучшения, и результаты немного двигались вперед, пока снова не возникала ошибка. В итоге родилась отдельная область знаний — численные методы в общей теории относительности.
Моделирование столкновения черных дыр является знаковой для уравнений Эйнштейна работой, такой же сложной, неблагодарной и тяжелой, как регистрация гравитационных волн. Молодые релятивисты втягиваются в поиск компьютерного решения и тратят свою — часто недолгую — карьеру на небольшое улучшение уже имеющихся результатов. Все напоминает невероятно сложную компьютерную игру, часто ведущуюся на свой страх и риск, без промежуточных наград, пройденных уровней и триумфальных побед.
Для некоторых общая теория относительности стала равнозначна численным методам. Группа, занимающаяся общей теорией относительности, считалась неполной без одного или нескольких релятивистов, занятых решением проблемы столкновения черных дыр с прицелом на поиск гравитационных волн. Проводились конференции и встречи, на которых каждый желающий мог продемонстрировать новые приемы, схемы и графики. Но уравнения не поддавались. А без формы сигнала, найденной при моделировании двойных систем, не было надежды на их обнаружение с помощью детекторов.
Вспоминая эти мрачные времена, Преториус сказал: «Была большая вероятность, что задача окажется достаточно сложной и к моменту ввода в эксплуатацию [детектора гравитационных волн] она решена не будет». Экспериментальные данные могли начать накапливаться до того, как компьютерная модель даст приемлемый прогноз.
Но у битвы за численное решение уравнений Эйнштейна была и вторая сторона, оказавшая неожиданное влияние на весь мир. В конце 1970-х и начале 1980-х Ларри Смарр разработал еще более сложные программы и пытался их запускать на самых мощных компьютерах, к которым удавалось получить доступ. Работающий в США Смарр обнаружил, что многие из его программ работают в Германии, и был крайне разочарован отсутствием возможности запускать их в Штатах. К середине 1980-х Смарр успешно убедил правительство США в необходимости финансировать сеть суперкомпьютерных центров для обслуживания всех отраслей науки, нуждающихся в «обработке данных». В конечном итоге он возглавил один из этих новых центров, Национальный центр суперкомпьютерных приложений в штате Иллинойс. Именно его исследовательская группа в 1990-х годах выпустила первый веб-браузер с графическим интерфейсом, который назывался Mosaic и позволял визуализировать данные на удаленных узлах Интернета. Вот так, в самый разгар битвы с черными дырами численные методы общей теории относительности внесли свой вклад в интернет-культуру, ставшую неотъемлемой частью нашей жизни.
Пока осваивающие численные методы релятивисты топтались на месте, полным ходом велась работа над эффективным инструментарием для фиксации гравитационных волн. На этот раз здесь не было места фальшивым открытиям, превосходящим возможности аппаратуры, — эпоха Вебера ушла в прошлое. Предпочтительным устройством стал интерферометр, но к нему предъявлялись чрезмерные требования. Лазерные лучи должны были проходить достаточно большую дистанцию, чтобы интерференционный узор позволял распознать даже мельчайшие отклонения, обусловленные гравитационными волнами. Однако в интерферометре длиной в километр лазерный луч скакал в разные стороны, более сотни раз отражаясь от прикрепленных к грузам зеркал. Зеркала требовались идеально гладкие и идеально ровные. При этом ожидавшееся отклонение было крошечным. Вспышка гравитационных волн, рождающаяся при слиянии двойной системы, привела бы к отклонению в долю ширины протона.
Построить полнофункциональные интерферометры, которые могли бы достоверно регистрировать приходящие из космоса гравитационные волны, было практически невозможно. Лазерный луч должен был проходить километры, не отклоняясь даже на ширину атома. Оборудование следовало как бы подвесить в воздухе, защитив от всех повседневных шумов, снабдив совершенными зеркалами и ультрасовременными средствами обработки сигналов, способными выделять даже неуловимые отклонения. При этом нужно было экранировать всю систему от приливов, способных сместить грузы на долю миллиметра, грохота грузовиков на дорогах и вибраций электросети.
Требовалась идеальная во всех отношениях и очень большая система. Размер и стоимость интерферометров, пригодных для исследований гравитационных волн, ограничивали возможность их создания. В Европе объединенными силами Великобритании и Германии был построен гравитационный телескоп с длиной канала 600 метров. Расположенный в немецком городе Зарштедте, он получил имя GEO600. Намного больший аппарат, названный Virgo в честь включающего в себя тысячи галактик скопления Девы, с плечами длиной 3 километра был задуман французами и итальянцами и построен в итальянском городе Кашина. В Японии создали небольшой гравитационный детектор ТАМА с плечами длиной 300 метров.
Образцовым представителем инструментария для интерферометрии гравитационных волн должна была стать лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, LIGO). Изначально проект был предложен двумя экспериментаторами — Райнером Вайсом из Массачусетского технологического института и Рональдом Дривером из Калтеха — и теоретиком Кипом Торном. Задуманная в начале 1970-х, обсерватория LIGO имеет сложную историю.
Здесь должен был находиться, без сомнения, самый большой из интерферометров. На самом деле это было даже два интерферометра, один из которых должен был находиться в Хэнфорде, штат Вашингтон, а второй в Ливингстоне, штат Луизиана. Такое расстояние между аппаратурой позволяло исключить результаты, обусловленные локальными шумами, землетрясениями и дорожным движением. Объединив усилия с еще одним детектором, например GEO600, можно было определить направление источника гравитационных волн, и это была бы настоящая обсерватория, надежный телескоп. Но пока никто точно не знал, что нужно измерять и достаточно ли имеющейся чувствительности инструментов. LIGO предполагалось строить в два этапа. Во-первых, требовалось создать «опытно-экспериментальную установку», гигантский прототип, работающий так, как хотели релятивисты и экспериментаторы. На это строительство отводилось более десяти лет. Только потом можно было усовершенствовать LIGO и приступить к поиску интересных данных. Это были долгосрочные проекты, но последствия в случае, если бы LIGO действительно зарегистрировала гравитационные волны, были бы грандиозными. Мы бы совершенно по-новому взглянули на Вселенную, не используя световые волны, радиоволны или любой другой традиционный подход. Кроме того, возник бы новый взгляд на общую теорию относительности Эйнштейна, потому что хотя большинство верило в существование гравитационных волн, непосредственно их пока не наблюдали. Обнаружение гравитационных волн в обсерватории LIGO встало бы в один ряд с открытием электрона, протона и нейтрона в начале XX века. Эксперимент гарантированно получил бы Нобелевскую премию.
Однако обсерватория LIGO вызывала восторг далеко не у всех. Строительство и запуск этого проекта требовали сотен миллионов долларов, что привело бы к уменьшению финансирования остальных исследовательских проектов. Отток средств ощутили бы не только остальные экспериментаторы, занимающиеся гравитационными волнами, но и представители других областей. А назвав себя обсерваторией, проект LIGO потеснил бы астрономов. Они бы ощутили, как уменьшается финансирование их собственных исследований. В 1991 году в статье для New York Times Тони Тайсон из лаборатории Белла, занимавшийся гравитационными волнами еще в те дни, когда к ним только начал зарождаться интерес, писал: «Большая часть астрофизического сообщества полагает, что получить важную информацию из гравитационно-волнового сигнала будет крайне сложно, даже если его удастся зарегистрировать». Как сказал в интервью New York Times ведущий астрофизик Принстонского университета Иеремия Острайкер, мир «должен подождать, пока кто-нибудь не найдет более дешевого и надежного подхода к проблеме гравитационных волн». Астрофизики активно и почти неистово протестовали против LIGO. Когда в начале 1990-х астрономов попросили оценить, какие астрономические проекты должны получить приоритет у американских финансовых организаций, группа под руководством Джона Бакалла из Института перспективных исследований в Принстоне даже не включила LIGO в предоставленный список.
Американский национальный научный фонд отклонил первые два проекта LIGO и только через пять лет после подачи первого проекта одобрил, наконец, третий, с бюджетом 250 миллионов долларов — откровенно непомерной суммой для инструмента, который, скорее всего, не даст никаких осмысленных результатов и на первый взгляд технологически нереализуем. Наконец, в 1992 году после почти двадцати лет планов, проектов и мечтаний безупречный эксперимент смог начаться.
Кип Торн с коллегами уже вовсю обсуждали планы создания LIGO, когда в Южной Африке родился Франс Преториус. Он вырос в Соединенных Штатах и Канаде, а докторскую степень получил в Ванкувере в университете Британской Колумбии, постигая основы своей специальности в мозговом центре компьютерного моделирования общей теории относительности. Он получил аспирантскую стипендию в Калифорнийском технологическом институте, вотчине Кипа Торна, где ему позволяли заниматься, чем он хочет. Преториус решил по-своему взяться за проблему слияния черных дыр. В отличие от больших групп программистов, корпящих над неразрешимой проблемой моделирования сближения по спирали, вспышки и распада, Преториус работал в одиночку, «вне поля видимости», по его собственному выражению, не участвуя ни в одном крупном совместном проекте. Он тщательно проанализировал все неудачные попытки, предпринимавшиеся в предыдущие годы, и вынес из них несколько перспективных идей. На их основе он решил написать с нуля собственную программу. Преториус инстинктивно чувствовал, что будет, а что не будет работать. В его программе уравнения Эйнштейна приобрели более простой вид, практически напоминая эти уравнения для электромагнетизма. А электромагнитные волны легко обсчитывались и распознавались.
Затем программа была запущена. Процесс растянулся на семь месяцев, и этот период Преториус называет «настоящим мучением». Но, к своему удивлению и восторгу, он смог запустить программу, и с этого момента черные дыры начали движение по своим орбитам, пока не столкнулись, испустив вспышку волн и превратившись в одну быстро вращающуюся черную дыру. В результате было получено точное и четкое описание гравитационных волн, которого все так долго ждали. Преториус смог решить уравнения Эйнштейна при помощи компьютера. Он воспользовался множеством идей, выдвигавшихся в предшествующие годы, но именно его свежий взгляд на проблему смог нужным образом совместить их друг с другом.
Свои результаты Преториус анонсировал на конференции 2005 года в городе Банф, провинция Альберта. Орех уравнений Эйнштейна удалось, наконец, разгрызть и смоделировать поведение двух черных дыр, вращающихся вокруг общего центра и вытягивающих друг из друга энергию в неумолимой тяге к объединению, чтобы породить в итоге шквал гравитационных волн, постепенно исчезающий со временем. «Возник немалый ажиотаж, — вспоминает Преториус, — людям настолько интересно было узнать подробности, что после доклада был организован отдельный семинар для ответов на вопросы». Через полгода еще две группы объявили, что смогли решить задачу, рассмотрев эволюцию двойных черных дыр с другой стороны. Как и Преториус, они проследили весь жизненный цикл этих объектов. Казалось, что открытие Преториуса сняло психологический блок с других рабочих групп, и возник поток результатов, подтверждающих его вычисления.
Возникло ощутимое чувство эйфории и облегчения. Наконец-то появилась возможность описать форму неуловимых сигналов. Наблюдатели поняли, как извлекать призрачные сигналы из многочисленных помех, регистрируемых интерферометрами.
К концу своей жизни Джозеф Вебер озлобился. Его раздражали любые разговоры о гравитационных волнах. На немногочисленных конференциях и семинарах, в которых он участвовал, на публику выливался десятилетиями сдерживаемый им гнев. Он приходил в ярость от любых вопросов. Он увидел гравитационное излучение раньше кого бы то ни было, и этого у него никто не мог отнять. Один из его первых сторонников, Фримен Дайсон, написал стареющему Веберу письмо, оставшееся без ответа. Вот что он писал: «Великий человек не боится признать, что он ошибался и осознал свою ошибку. Я знаю, что вы — цельная натура. И у вас достаточно сил, чтобы признать свою неправоту. Если вы сделаете это, ваши враги обрадуются, но еще больше обрадуются ваши друзья. Вы восстановите свою репутацию ученого».
Ничего подобного Вебер не сделал. Наоборот, он стал противодействовать исследованиям гравитационных волн, активно выступая против проекта LIGO. Его ранние многочисленные появления на страницах печатных изданий создали вокруг него ореол эксперта по гравитационным волнам. И власти порой к нему прислушивались. В начале 1990-х, когда была предпринята третья отчаянная попытка поиска средств для проекта LIGO, Вебер отправил в Конгресс письмо, в котором утверждалось, что финансирование настолько дорогостоящего эксперимента будет напрасной тратой денег. Его детекторы прекрасно регистрировали гравитационные волны и обошлись в менее чем миллион долларов. Поэтому не было нужды тратить сотни миллионов. Однако его гневные речи ни на что не повлияли; на протяжении своей карьеры Вебер сделал столько абсурдных заявлений, что, как вспоминает Бернард Шутц, «к моменту, когда он начал выступать против LIGO, никто не хотел иметь его в числе своих сторонников». Почувствовав, что его игнорируют, Вебер пошел еще дальше. Он стал врагом области знаний, которую сам создал.
Вебер умер в 2000 году, еще до того, как проект LIGO начал свою деятельность. Для запуска идеально отлаженного инструмента потребовались десятилетия самоотверженной работы. За эти годы одна задержка сменяла другую. В 1980-х и в 1990-х Кип Торн заключил ряд пари с коллегами, утверждая, что гравитационные волны будут обнаружены еще до начала нового тысячелетия, и все их проиграл. Даже в начале XXI века проект LIGO сталкивался с непредвиденными проблемами, влияющими на работу детекторов, начиная от лесорубов с их циркулярными пилами в лесу Луизианы и заканчивая мистическими шумами в ядерных реакторах в Хэнфорде. Однако когда в 2002 году аппаратуру, наконец, включили, была достигнута та чувствительность, за которую все боролись. Это была первая часть эксперимента, изложенная в плане начала 1990-х. Детекторы могли улавливать перемещения менее чем на ширину протона, как и предусматривалось десятью годами ранее. Более того, команда LIGO объявила, что чувствительность инструмента даже выше, чем было предсказано. Это был оглушительный успех даже несмотря на то, что приборы пока ничего не зафиксировали. Как и предполагалось, в первом воплощении аппаратура не обладала чувствительностью, необходимой для регистрации гравитационных волн, но показывала, в какую сторону нужно двигаться. Теперь рабочая группа может работать над совершенствованием инструментария, пока он не увидит предсказанную Эйнштейном рябь пространства-времени.
Но это долгая история. В отличие от результатов Вебера, появившихся сразу после включения его детекторов, проекту LIGO потребуется работа тысяч технических специалистов в течение многих десятилетий, прежде чем распознавание гравитационных волн станет реальностью. Основателям проекта — Рону Древеру, Кипу Торну и Райнеру Вайсу — уже много лет, и возможно, в этот момент их уже не будет с нами. Может оказаться, что они посвятили жизнь делу, результатов которого так и не увидят. Тем не менее существует непоколебимая уверенность в реальности гравитационных волн; их предсказала теория Эйнштейна, о них свидетельствует, пусть косвенно, медленное, но неуклонное уменьшение орбиты пульсаров. Наблюдение гравитационных волн — не более чем вопрос времени. После этого исследования в области знаний, начало которой положил шумный успех Вебера, закончатся тихим шелестом пространства-времени, проходящего сквозь нашу планету.
