Абсурд и гравитационные волны

Derek Muller:
Один миллиард и триста миллионов лет назад в далёкой-далёкой галактике произошло слияние двух чёрных дыр. Вращаясь с бешеной скоростью навстречу друг другу, они вызвали искажения в полотне пространства-времени — гравитационные волны. Финальные сто миллисекунд этого события высвободили в пятьдесят раз больше энергии, чем все остальные объекты в обозримой Вселенной вместе.

Rana Adhikari:
Такое количество энергии повергает в трепет.

Derek Muller:
Волны распространялись по Вселенной со скоростью света и спустя миллиард лет наконец достигли Земли, сжимая и растягивая пространство так, что разность хода двух лучей света в перпендикулярных трубах слегка нарушилась. Это и был момент, когда люди впервые обнаружили гравитационные волны.

Даже на словах звучит не просто, но после моего разговора с профессором РАна АдхикАри из Калифорнийского института я понял, что они не отражают насколько абсурдна вообще вся эта затея.

Rana Adhikari:
Да, работа с гравитационными волнами полна абсурдов.

Derek Muller:
И это все?

Rana Adhikari:
Да.

Derek Muller:
Гравитационных волны очень тяжело обнаружить, главным образом из-за размера. Они сжимают и растягивают пространство на десять в минус двадцать первой метра. Это всё равно что измерять расстояние отсюда до Альфы Центавра, с точностью до восьмидесяти микрометров — это ширина человеческого волоса.

Чтобы такое отклонение стало заметно, измерять нужно на очень больших расстояниях, и поэтому длина рукавов интерферометров составляет четыре километра. Но даже несмотря на это, гравитационные волны меняют длину рукавов как максимум на десять в минус восемнадцатой метра. По сути, детектор должен улавливать изменение в одну десятитысячную диаметра протона. Это самое высокоточная система в истории. Как это возможно, учитывая, все источники вибрации и шума, от землетрясений и транспорта до грозовых разрядов?

Во-первых вам понадобятся самые гладкие зеркала в мире. Их масса сорок килограммов и они подвешены на нитях из кварцевого волокна толщиной в два волоска, которые гасят колебания внешней среды. И всё же, чтобы быть уверенными до конца, вся система включает в себя два интерферометра на значительном удалении друг от друга и источников помех, таким образом посторонние шумы будут появляться в данных только одной обсерватории, а гравитационные волны пройдут через обе почти одновременно.

Я нахожусь в здании, где в масштабе один к ста построен ЛИГо, детектор гравитационных волн. Еще одна важная деталь — лазер.
ВОу.

Rana Adhikari:
ВОу. Много всего, да?

Derek Muller:
Луч лазера должен состоять из волн строго одной длины.

Rana Adhikari:
Ну, конечно, ведь если длина волны меняется — а вы используете её для измерения интерференции света, — ничего у вас не выйдет. Как если бы вы пытались измерить какой-то отрезок, а ваша линейка постоянно меняла длину, — как с таким работать? Всё оборудование… как минимум, три четверти всего, что вы видите, нужно для того, чтобы стабилизировать лазер. На данный момент… мы добились отклонения длины волны… на один… на десять в двадцатой — сколько это? — одна сто миллионно-трилионная. Пока это наш рекорд.

Derek Muller:
Конкретно здесь используют лазер с длиной волны тысяча шестьдесят четыре нанометра. Инфракрасный свет. Но есть одна проблема.
Как измерить отклонение на десять в минус восемнадцатой если длина волны десять в минус шестой?

Rana Adhikari:
Именно! Побольше бы таких вопросов.

Derek Muller:
На анимации хорошо видно смещение самих волн, но в действительности, длина рукавов меняется на одну триллионную длины волны.
Так… разницу в половину длины измерить легко — будет интерференция…

Rana Adhikari:
Да, это легко — есть сигнал, нет сигнала.

Derek Muller:
То есть вы смотрите на то, насколько он стал чуть сильнее или чуть слабее?

Rana Adhikari:
Да, да. И то, что мы можем регистрировать эти слабые изменение яркости, связано с дискретной природой света — он ведь летит частями, то есть фотонами.

Derek Muller:
Из-за квантовой неопределенности вариация в количестве фотонов попадающих на зеркала пропорциональна квадратному корню от общего числа фотонов. А значит, чем больше фотонов, тем меньше неопределенность — это доля от общего числа. Поэтому мощность лазера в рукавах один мегаватт. Энергии одного такого луча хватило бы, чтобы питать электричеством тысячу домов.

Rana Adhikari:
Мегаватт — это, типа… бум, вам даже не оторвёт голову, она испарится, только дымок останется.

Derek Muller:
Даже с идеальным лазером и мощностью один мегаватт, свет всё равно будет взаимодействовать с любым препятствием, даже с воздухом, поэтому в рукавах поддерживается вакуум; на то, чтобы откачать воздух до одной триллионной атмосферного давления ушло сорок дней; а чтобы удалить остаточные газы, трубы нагрели до температуры духовки. Откачанного воздуха хватит, чтобы надуть два с половиной миллиона футбольных мячей — это второй по величине вакуум после большого адронного коллайдера. Обычно люди об этом не задумываются, но ведь гравитационные волны, растягивая пространство-время, также должны растягивать и свет.
Если растягивается всё, как понять, что что-то растянулось?

Rana Adhikari:
Как это понять, да? Это проблема. Мы занимаемся ерундой! «Деньги на ветер! Закрывайте лавочку!».
Допустим, я запускаю луч лазера и жду, пока он вернется, а потом говорю «ну и что?» — пространство растянулось, а вместе с ним и длина волны. Растянулось или нет — никакой разницы. Бессмыслица. Тут главное все сделать в нужный момент.

Луч света проходит по трубе, отражается и возвращается обратно очень быстро. Но когда волна, — гравитационная волна, — приходит, она идет так плавно…
Ну, я озвучивал… Колебания очень редкие всего сто раз в секунду. И действительно, когда приходит волна, свет в трубе растягивается. На этом этапе измерения не происходит, но…

теперь пространство растянуто, а тот пучок лазера пришёл и ушёл, его уже там нет. Но лазер работает постоянно, и уже новый свет проходит большее расстояние, чем предыдущий пучок. И наблюдая, как интерференция меняется во времени, при том, что длина волны, которую испускает лазер всегда одинаковая, мы проводим измерения.

Derek Muller:
Итак, что, в итоге, нужно, чтобы обнаружить гравитационную волну? Лазер мощностью один мегаватт, чтобы не мешали посторонние воздействия, свет с постоянной длиной волны, ведь мы измеряем с точностью до одной триллионной, беспрерывный поток фотонов, чтобы новые заменяли те, что были растянуты, вторая по величине вакуумная камере с давлением в одну триллионную атмосферы; сверхгладкие зеркала, подвешенные на кварцевых нитях; сразу две площадки для фильтрации шумов и четырехкилометровые рукава чтобы гравитационные волны растянули их хотя бы на одну тысячную диаметра протона.

Rana Adhikari:
Я вам так скажу: то, что мы сейчас здесь делаем каждый день… еще двадцать лет назад, я бы сказал, что это просто невозможно.

Derek Muller:
А еще я узнал, что единственное, что на данный момент ограничивает чувствительность детекторов, это квантовая механика. Вспомните принцип неопределенности Гейзенберга, когда есть две вещи, и их неопределенность вместе должна быть больше определенной величины.

Rana Adhikari:
К счастью, тут мы измеряем только одну величину, мы не пытаемся измерить две одновременно. Мы только хотим знать, насколько этот рукав растянулся больше другого, и этого достаточно; многим приходилось это объяснять. Эти системы специально создаются для точного измерения одного показателя а вся квантовая неопределенность остается в другом параметре, который нам не интересен.

Derek Muller:
У меня ощущение, что мы приближаемся к тем первоосновам, которые природа не хочет нам открывать. Но наша изобретательность позволяет нам справляться с квантовыми эффектами. Это потрясающе и я с нетерпением жду новых результатов.

Rana Adhikari:
Думаю, теперь, когда мы поймали два сигнала, следующим шагом будет найти все сигналы от всех черных дыр. И это не технологии за гранью фантастики. Да, предстоит много работы, но я вполне могу себе такое представить… в обозримом будущем.