Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

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.