Закончить начатое Эйнштейном
Давным-давно в одной далёкой-далёкой галактике две гигантские чёрные дыры — масса каждой из них примерно в 30 раз превышала массу солнца — столкнулись и слились воедино, создав короткую, но мощную вспышку гравитационных волн. Энергия взрыва распространилась по вселенной со скоростью света, постепенно теряя свою силу на огромных просторах космоса.
Прошло более миллиарда лет, и энергия этого взрыва достигла Земли в виде невероятного слабого сигнала, длившегося десятую долю секунды. 14 сентября 2015 года учёные из Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (сокращённо LIGO) в США зафиксировали эту гравитационную волну — слабый ЛЧМ-сигнал — на своих приборах. Тем самым, появилось первое подтверждение предсказания, сделанного Альбертом Эйнштейном 100 лет назад.
В распоряжении обсерватории LIGO, действующей под управлением Национального научного фонда США, имеется два ультрасовременных интерферометра. Настоящее чудо высоких технологий, они были размещены в двух противоположных концах США и начали работать незадолго до успешной фиксации гравитационной волны, получившей название GW150914. В этих приборах используется принцип интерференции света. Они выявляют искажения в геометрии пространства-времени, вызванные гравитационными волнами, путём замеров изменений длины плеча интерферометров. В случае с GW150914 эта длина изменилась менее чем на одну тысячную размера протона.
Обнаружить столь малые изменения было невероятно трудно, учитывая множество различных видов шумов, способных повлиять на измерения и нарушить их чистоту. Учёные LIGO откопали крохотный, краткий ЛЧМ-сигнал в постоянном хаосе космоса, сравнив измерения двух интерферометров. Дело в том, что шумы в одном из приборов не коррелируют с шумами в другом, если только это не сигнал проходящей гравитационной волны: сначала он отмечается первым прибором, а затем — вторым. Сигнал от волны GW150914 отвечал этим условиям с такой впечатляющей точностью, что любая возможность сомнительности и случайности этого события, была исключена.
Безусловно, этот подвиг должен быть отмечен Нобелевской премией. Единственный вопрос: кто её должен получить. Успех LIGO — это не просто триумф технологий. Это также (что даже важнее) результат столетия работы теоретиков над математическим описанием гравитационных волн — не только Эйнштейна, но и Леопольда Инфельда, Джошуа Голдберга, Ричарда Фейнмана, Феликса Пирани, Айвора Робинсона, Германа Бонди, Андре Лихнеровича.
Конкретное открытие LIGO стало возможным благодаря польскому физику Анджею Траутману, придавшему теории гравитационных волн математическую строгость, и французскому физику Тибальду Дамуру, разработавшему практические математические инструменты, позволяющие использовать наблюдаемые волновые фронты для расшифровки информации об источниках волн. Их труды заложили солидную математическую базу для этой теории, что сделало возможным успех LIGO.
Общая теория относительности Эйнштейна является величайшим интеллектуальным достижением человечества. Однако никто ещё не получал Нобелевскую премию за разработку её математического обоснования. Премия вручалась специалистам по экспериментальной физике, нашедшим эмпирические подтверждения отдельных важных предсказаний этой теории. Она доставалась специалистам по квантовой физике за чисто математические труды. Но никогда эту премию не присуждали чистым теоретикам, изучавшим относительность.
Я надеюсь, что в этом году Нобелевский комитет признает важность теоретических работ и присудит премию в корректной пропорции — одному специалисту по экспериментальной физике за разработку технологической концепции LIGO и двум чистым теоретикам — Траутману и Дамуру.
Учёным LIGO (и его европейского аналога под названием Virgo) предстоит открыть ещё очень многое. Измерения гравитационных волн позволят не просто лучше понять явления, которые до сих пор нам были абсолютно недоступны, например, «Большой взрыв», горизонты чёрных дыр, внутренняя структура нейтронных звёзд. Они могут также привести к революционным изменениям в нашем понимании вселенной.
Общая теория относительности описывает крупные физические феномены: люди, камни, планеты, звёзды, галактики, вселенная. Напротив, квантовая механика столь же успешно описывает вселенную в микромасштабе: кварки, электроны, атомы, молекулы.
Эти фундаментальные теории современной физики несовместимы. И возможно даже противоречат друг другу. Несмотря на упорные попытки, квантово-гравитационная теория до сих пор не открыта. Было предложено несколько предварительных квантово-гравитационных моделей для конкретных явлений с участием чёрных дыр, однако ни одна из них не протестирована экспериментально, поэтому никто не знает, насколько они корректны (более того, некоторые из них приводят к поразительным парадоксам).
Многие физики убеждены, что все эти проблемы свидетельствуют об отсутствии какого-то компонента в нашем понимании фундаментальных принципов природы. В отчаянии, часто смешанном с самонадеянностью, некоторые учёные предлагают совершенно безумные концепции квантовой гравитации, в том числе странные альтернативы стандартным чёрным дырам Эйнштейна — без каких-либо экспериментальных обоснований. В результате, сегодня для многих физиков по-настоящему фундаментальная проблема примирения двух теорий превратилась в высокопарный, бессмысленный вздор.
Необходимы солидные, основанные на экспериментах факты, чтобы избавиться от всего этого нонсенса и, возможно, вдохновиться на решение данной дилеммы. Именно их способны дать будущие измерения гравитационных волн.
Марек Абрамович — профессро, преподаватель теоретической физики в университете Гетеборга в Швеции