Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Торн Кип

Совершенно безнадежно, конечно, пытаться измерить такой крошечный прилив на поверхности волнующегося океана. Не таким безнадежным делом оказываются, однако, перспективы измерить приливные силы гравитационных волн, действующие на тщательно сконструированный лабораторный прибор — детектор гравитационных волн.

Джозеф Вебер был первым человеком, который имел достаточно интуиции, чтобы понять, что попытки детектирования гравитационных волн совсем не безнадежны. Он был выпускником Военно-морской академии США со степенью бакалавра инженерного дела. Во время второй мировой войны он служил на авианосце Лексингтон, пока тот не затонул во время боя в Коралловом море, затем стал командным офицером на охотнике за подводными лодками № 690 и сопровождал бригадного генерала Теодора Рузвельта младшего и 1900 десантников во время высадки на берег при вторжении в Италию в 1943 г. После войны он стал главой Отдела электронного противодействия Бюро кораблей военно-морских сил США. Его репутация эксперта по радио и радарным технологиям была настолько велика, что в 1948 г. ему была предложена и им принята позиция профессора электротехники в Мэрилендском университете — полного профессора в возрасте двадцать девять для всего лишь выпускника колледжа со степенью бакалавра.

Преподавая электротехнику в Мэриленде, Вебер готовился к изменениям в своей карьере: он работал над диссертацией и получил степень Ph.D в области физики[96] в Католическом университете, частично под руководством того же человека, который был руководителем Джона Уиллера, Карла Херцфельда. От Херцфельда Вебер узнал достаточно о физике атомов, молекул и излучения, чтобы в 1951 г. изобрести собственный вариант лазера, но у него не было тогда возможности для экспериментальной демонстрации своей концепции. Тогда же, когда Вебер опубликовал свое предложение, две другие исследовательские группы: одна в Колумбийском университете, возглавляемая Чарльзом Таунсом, а другая в Москве, под руководством Николая Геннадьевича Басова и Александра Михайловича Прохорова, независимо изобрели альтернативные варианты механизма и создали рабочие варианты лазеров.[97] И хотя статья Вебера была первой публикацией по поводу механизма работы лазеров, он не получил никакого признания: Нобелевская премия и патенты ушли ученым Москвы и Колумбии[98]. Разочарованный, но сохранивший дружеские отношения с Таунсом и Басовым, Вебер задумался о новом направлении исследований.

Как часть этих исследований Вебер провел год в группе Джона Уиллера, став специалистом в области общей теории относительности и сделав вместе с Уиллером теоретические исследования о свойствах гравитационных волн, следующих из этой теории. К 1957 г. он нашел свое новое направление. Он начал разворачивать первую в мире программу детектирования и слежения за гравитационными волнами.

В конце 1957, весь 1958 и начало 1959 г. Вебер пытался изобрести различные схемы детектирования гравитационных волн. Это были упражнения ума с помощью карандаша и бумаги, а не экспериментальные усилия. Он заполнил идеями, возможными конструкциями детектора и вычислениями четыре 300-страничные тетради. Одна за другой идея отставлялась как бесперспективная. Одна конструкция за другой оказывалась малочувствительной. Но некоторые все-таки оставляли надежду, и из них Вебер в конце концов выбрал конструкцию, основанную на цилиндрической алюминиевой болванке, длиной около 2 метров, диаметром в полметра, весящей 1 тонну, ориентированную широкой частью к приходящей волне (рис. 10.4).

Приливные силы гравитационных волн будут сначала сжимать, потом растягивать, затем снова сжимать концы такой болванки. Болванка имеет собственную моду колебаний[99], которая может резонансным образом откликаться на эту осциллирующую приливную силу, моду, у которой концы болванки вибрируют относительно ее центра. Эта собственная мода, как звон колокольчика, настроечного камертона или винного бокала, имеет хорошо определенную частоту, так же как определенную частоту имеет колокольчик, камертон или винный бокал. Так же как колокольчик, камертон и бокал можно заставить откликаться в унисон звуковым волнам, соответствующим их собственной частоте, болванка может вибрировать в унисон с колебаниями приливной силы, имеющими частоту, равную частоте собственной моды. Чтобы использовать подобный твердотельный гравитационно-волновой детектор, нужно подстроить его размер под собственную частоту, соответствующую частоте приходящих гравитационных волн.

Какие это могут быть частоты? В 1959 г., когда Вебер разворачивал свой проект, мало кто верил в черные дыры (глава 6), а те, кто верил, мало пока понимали их свойства. Никто и представить не мог, что черные дыры могут сталкиваться и сливаться, порождая рябь кривизны пространства-времени с закодированной информацией об истории столкновений. Никто не мог дать предположительных указаний и на другие источники гравитационных волн.

Поэтому Вебер начинал свои усилия практически вслепую. Его единственной зацепкой была грубая (но правильная) оценка, что гравитационные волны, вероятно, должны иметь частоты, существенно ниже примерно 10000 Гц (10000 колебаний в секунду) — это соответствует частоте обращения объекта, движущегося со скоростью света (максимально возможной) около самой компактной разумной звезды по орбите, имеющей длину окружности близкую к критической. Таким образом, Вебер сконструировал самые лучшие, какие только мог, детекторы, имеющие резонансные частоты, лежащие ниже 10000 Гц, и надеялся, что Вселенная обеспечит волны на выбранной частоте. Ему повезло. Резонансные частоты его болванок были около 1000 Гц (1000 колебаний в секунду), и оказалось, что некоторые волны от сливающихся черных дыр должны колебаться как раз на этой частоте, так же как волны от взрывов сверхновых и сливающихся пар нейтронных звезд.

Наиболее сложным аспектом проекта Вебера было создание датчика для слежения за колебаниями твердотельных антенн. Эти вызванные гравитационными волнами колебания, как он ожидал, должны быть ничтожно малы, меньше размера ядра атома [но в 1960-х он еще не знал, насколько меньше: всего 10-21 х (двухметровую длину болванок), т. е. согласно современным оценкам порядка 10-21 метра, что в миллион раз меньше диаметра атомного ядра]. Большинству физиков в конце 1950-х и в 1960-х измерение даже одной десятой диаметра атомного ядра казалось невозможным. Но не для Вебера. Он придумал датчик, который мог это сделать.

Датчик Вебера был основан на пьезоэлектрическом эффекте, благодаря которому в некоторых материалах (определенных кристаллах и специальной керамике) при их небольшом сжатии появляется на концах электрическое напряжение. Веберу хотелось бы сделать свою антенну из такого материала, но это было бы слишком дорого, поэтому он сделал лучшее, что мог: он сделал твердотельную антенну из алюминия, а затем приклеил пьезоэлектрические кристаллы вблизи середины антенны (рис. 10.4). При дрожании болванки ее поверхность сжимает и растягивает кристаллы. На каждом кристалле появляется переменное напряжение, и Вебер соединил последовательно кристаллы в одну электрическую цепь, так что их малые переменные напряжения складывались в большее напряжение, которое можно было зарегистрировать электронным образом, даже если колебания антенны составляли только одну десятую размера атомного ядра.

10.4. Джозеф Вебер демонстрирует пьезоэлектрические кристаллы, наклеенные около середины его алюминиевой твердотельной антенны (около 1973 г.). Гравитационные волны должны вызывать взаимные колебания концов болванки, и эти колебания должны сдавливать и растягивать кристаллы, так что они будут производить переменное напряжение, которое можно электронным образом зарегистрировать. [Фото Джеймса П. Блэра, предоставлено Национальным географическим обществом]