Миллиард за истину и гордость: Нобелевскую премию по физике дали за открытие гравитационных волн

Нобелевская премия по физике 2017 года присуждена за «вклад в создание детектора LIGO и наблюдение гравитационных волн». Стало известно из прямой трансляции Королевской Шведской Академии Наук. Половину премии получил Райнер Вайсс (Rainer Weiss), а вторую поделили поровну между Барри Бэришем (Barry C. Barish) и Кипом Торном (Kip S. Thorne). В работе активно участвовали две российские научные группы из МГУ им. М. В. Ломоносова и нижегородского Института прикладной физики РАН.

Ожидание

Нобелевский комитет обычно отлично интригует. Имя победителя никогда не утекает в прессу до объявления, в отличие от технических характеристики новинок Apple, а самими лауреатами часто оказываются совсем не те, кого ожидали. Но только не в этом году. Открытие гравитационных волн — это история длинной 100 лет, потребовавшая небольшого дружеского участия, миллиардных затрат, 40-летних исследований и 20-летнего опыта построения самого чувствительного детектора гравитационных волн в мире — LIGO. Проигнорировать такое открытие было трудно.

Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном как одно из следствий Общей теории относительности в 1916 году. Сначала он направил в научные журналы статью, где отрицал возможность их существования. Но статья была отправлена на доработку, и за время ее доработки знакомый ученый «случайно» подсказал Эйнштейну небольшую неточность в его расчетах. Она кардинально изменила вывод ученого.

Гравитационные волны очень слабые, поэтому, несмотря на теоретическое предсказание их существования в начале XX века, первые эксперименты по их обнаружению состоялись только в 60-е годы. В 1974 году удалось косвенно показать их существование, наблюдая за двойной звездной системой, но косвенные улики не могли удовлетворить ученых, а прямое обнаружение было все еще невозможно.

Научный результат

В 1992 году Национальный научный фонд США принял решение о постройке крупнейшего гравитационного детектора LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн). Директор организации Франса Анна Кордова на конференции, посвященной открытию гравитационных волн, рассказывала, что это было крупнейшей инвестицией (около $1 млрд) и большим риском. Он постепенно модернизировался, и в итоге в конце 2015 году достиг размеров, которые позволяли улавливать гравитационные волны от слияния черных дыр (как наиболее тяжелых объектов): два детектора расположены на расстоянии 3000 км, плечо каждого V-образного детектора LIGO достигает 4-километровой длины, для получения интерференционной картины использовался 20-киловаттный лазер и система с многократным переотражением от 40-килограммовых зеркал внутри каждого плеча.

Этого в итоге хватило, чтобы зафиксировать изменение расстояний между зеркалами на одну десятиквинтиллионную (10 в -19-й степени) — именно на такую величину исказили пространство гравитационные волны от слияния черных дыр после того как прошли 1,3 миллиарда световых лет от места события до земли. Такой сдвиг меньше размера протона (ядра атома водорода) в 10 тысяч раз!

Теория относительности Эйнштейна получила очередное подтверждение. Однако это не единственная цель, ради которой создавалась современная гравиметрическая лаборатория.

«Прямое детектирование гравитационных волн — безусловно, великое событие в истории физики. Ведь речь идет об открытии еще одного канала астрофизической информации к уже имеющимся (оптическая, радио-, рентгеновская и нейтринная астрономии). Причем получаемая от регистрации гравволн информация очень часто уникальна и не может быть получена по другим каналам», — объяснил Forbes научное значение профессор Сергей Вятчанин, заведующий кафедрой физики колебаний физфака МГУ им. М. В. Ломоносова. Он входит в российскую научную группу, принимающую участие в работе LIGO, ее основная задача — обеспечить настолько спокойное состояние зеркал, от которых отражается лазер, чтобы было заметно их отклонение на одну десятимиллиардную миллиардной часть метра при прохождении радиоволн.

За прошедшее время была закончена модернизация европейского гравитационного детектора VIRGO и совместная работа трех детекторов позволяет определять направление на источник гравитационных волн, а значит дополнять исследования на детекторах наблюдениями с телескопов.

Практическое применение

Сами гравитационные волны не имеют прикладного применения (так и хочется добавить: пока), но Вятчанин объяснил практическую пользу от проекта LIGO: «Всегда сложнейшие эксперименты двигают вперед технологии». В качестве примера он привел работу по созданию кристаллические покрытия для зеркал, чтобы повысить чувствительность установки. Сейчас покрытие напыляется, а значит сделано из амфотерных материалов, в которых потери света при отражении больше, чем в кристаллических. Но раньше кристаллическое покрытие умели делать только для маленьких зеркал, а в детекторе LIGO приходится осваивать покрытие на 30-см зеркала.

Большие зеркала с кристаллическим покрытием будут не только обладать меньшими шумами, но и не уширят сигнал от современного мощного лазера, излучающего в очень узком диапазоне. Его можно применять как для научных целей, так и для изучения различных веществ. А рынок высокотехнологичных материалов (керамика, стекло, полимеры, композиты, металлы и сплавы) составлял $42,76 млрд в 2015 году и вырастет до $102 млрд в 2024 году по прогнозам Transparency Market Research.

Есть еще одна причина для создания гигантских гравитационных детекторов. Вятчанин уверен, что главное, почему американцы пошли на эксперимент — «репутационное преимущество». Они показали, что способны собрать коллаборацию (более 1000 ученых из 15 стран) со всего мира и были готовы планировать на много лет вперед, 20 лет работать и ждать первых результатов.