«Это выглядело как слияние двух черных дыр»: интервью с Кипом Торном

Как кириллица оказалась в фильме «Интерстеллар», в чем вклад российских ученых в открытие гравитационных волн и какими будут будущие детекторы для LIGO, рассказал Indicator.Ru Кип Торн, один из основателей международного проекта LIGO, зарегистрировавшего гравитационные волны. На этой неделе ученый приедет в Москву, чтобы прочитать научно-популярную лекцию на физическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова. В мае заслуги проекта LIGO были отмечены специальной премией Breakthrough Prize in Fundamental Physics, основателем которой является российский бизнесмен Юрий Мильнер: $1 млн получили основатели коллаборации LIGO Рональд Дривер, Кип Торн и Райнер Вайсс, $2 млн были разделены между 1012 учеными, внесшими вклад в открытие гравитационных волн. Кроме того, в течение этого года Торн, Дривер и Вайсс стали лауреатам премии Грубера, премии Кавли и премии Шао.

— Расскажите, пожалуйста, об участии России в проекте LIGO.

— Первыми, кому пришла в голову идея использовать оптические интерферометры для обнаружения гравитационных волн, были советские ученые Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт. Благодаря моим частым визитам в Россию, я могу назвать их своими друзьями. Они были теоретиками и разработали базовую идею, но она не получила развития в Советском Союзе.

Я очень переживаю, что Владимира Брагинского больше нет с нами… В 1965 году он написал свою классическую обзорную статью, а затем, в 1967 году, осознал, что мы столкнемся с квантовыми пределами точности приборов, и указал на это. В 1968 году я посетил его лабораторию в Москве. Это был мой первый визит в Советский Союз: в Тбилиси проходила встреча Международного общества теории относительности и гравитации, и после нее я провел несколько дней в Москве. Яков Борисович Зельдович привел меня в лабораторию к Брагинскому и познакомил нас. Брагинский проводил целый ряд экспериментов с маятником для того, чтобы определить, в каком направлении следует двигаться в поисках гравитационных волн.

Он лучше, чем кто-либо другой в мире в то время, знал, что тепловой шум является препятствием для обнаружения гравитационных волн. И когда Джозеф Вебер объявил, что он обнаружил гравитационные волны при помощи резонансных антенн, Брагинский сконструировал свой подобный прибор и стал первым человеком, который использовал прибор, как у Вебера. В начале 1970-х годов Брагинский объявил, что не смог обнаружить никаких гравитационных волн. Он законсервировал свой измерительный прибор и начал работать над вторым поколением приборов.

Я стал близким другом Брагинского, проводил много времени в его лаборатории в 70-х годах. Именно он и Райнер Вайсс из Массачусетского технологического института (MIT) убедили меня в том, что гравитационные волны будут в конце концов обнаружены. Благодаря дискуссиям с ними я решил, что мы должны создать группу для работы над этой проблемой. Мы привлекли к этому Рона Дривера. Я постоянно пытался убедить Брагинского приехать сюда, но это происходило в советскую эпоху, когда это было невозможно. Дривер принял решение — и это показалось мне хорошим выбором — создать прототип интерферометра такого типа, который и станет использоваться в LIGO. Такой же, как в Массачусетском технологическом институте, только намного больше. Брагинский, однако, скептически отнесся к перспективам успеха такого типа приборов, считая их чересчур сложными. Он считал маловероятным, что подобные приборы могут быть построены и смогут надежно работать. Поэтому он продолжал работать над своим подходом к твердотельным установкам, используя в них монокристаллический сапфир, вплоть до 1987 года, когда он посетил Калифорнийский технологический институт и увидел серьезный прогресс, которого удалось достичь. Он также увидел результаты исследования для интерферометра длиною в несколько километров, сделанного Рэем Вайссом и командой MIT совместно со Стэнли Виткомбом, который вместе с Роном Дривером руководил данным направлением в Калтехе. И Брагинский убедился, что подобный подход имеет большой шанс на успех. По возвращении в Москву он закрыл свой проект по измерительным приборам и присоединился к LIGO. Таким образом, он и его группа стали первыми, кто начал работу над LIGO, помимо Калтеха и MIT. Брагинский с его группой внесли основной вклад в разработку идей и технологий для проекта LIGO уже в 1980-е годы и продолжают вносить его и сейчас.

Брагинский и его группа, в особенности Валерий Митрофанов, создали технологию для подвесов из кварцевого волокна, используемую в проекте LIGO. Они разработали эту технологию в 90-е годы, затем перенесли ее из России на Запад, cначала в Глазго, где обучили группу работать с ней, а затем в Калифорнийский технологический институт. Теперь она используется в улучшенной версии проекта LIGO — Advanced LIGO. Они проводили определенные исследования того, что Брагинский называл избыточным шумом — сильным шумом, который внезапно появляется и чрезвычайно негативно воздействует на волокна, а также на другие объекты подвесной системы. Но, что более важно, Брагинский стал, я бы сказал, душой LIGO. В конце 80-х — начале 90-х годов он приступил к изучению всего, что могло пойти не так, но над чем ни я, ни кто-либо другой не задумывался. И он обнаружил целый ряд подобных моментов, которые затем стали предметом для переживаний и размышлений внутри остального коллектива обсерватории.

Наиболее важным из подобных вопросов, по моему мнению, стало то, что называется параметрической нестабильностью, в которой зеркало LIGO деформируется и вибрирует. Существует несколько видов колебаний, и это стало важным моментом, который мы привнесли в Advanced LIGO и на который Брагинский указал нам в конце 90-х — начале 2000-х годов. Он также указал на ряд тепловых шумов, о которых люди раньше не задумывались, и понял, что это может быть важным — термоэластический шум, терморефрактивный шум.

Другое направление, важнейшая вещь для будущего — это квантовый шум, а также его идеи о квантовых шумах обратного действия, которые, как я уже отмечал, он первым осознал в 60-е годы. Это соотношение неопределенности Гейзенберга, примененное к микроскопическим объектам, также вероятно наложило квантовый предел на чувствительность гравитационных приборов. В середине-конце 70-х годов он предложил идею по квантовым неразрушающим методам для преодоления соотношения неопределенности Гейзенберга. Мой исследовательский центр присоединился к нему в работе над этим примерно в 1978-79 году. Это стало совместной работой его и моих групп, продолжающейся и по сей день. Среди тех, кто был в моей группе, сейчас Янбей Чен тесно сотрудничает с Фаридом Халили, Сергеем Вятчаниным и другими специалистами из московской группы. Они работают по целому ряду вопросов, относящихся к следующему поколению приборов проекта LIGO для определения гравитационных волн.

Подытоживая, можно сказать, что группа Брагинского внесла и продолжает вносить вклад в работу LIGO по целому ряду направлений. Такой вот у меня получился длинный ответ на короткий вопрос…

— Какими будут приборы следующего поколения LIGO?

— Имеющиеся интерферометры, хотя и обнаруживают гравитационные волны, все еще далеки от желаемой чувствительности. Мы рассчитываем достичь желаемой чувствительности к 2019 году или ранее. Для этого мы будем использовать квантовое сжатие света. Более сложные версии этого процесса станут доступными через некоторое время после этого. Простые версии, возможно, в следующем году. Кроме того, мы ожидаем появления нового поколения интерферометров такого же вакуумного типа. Это задействует в общих чертах то, что было разработано совместно группой Брагинского и группой в Калтехе. Они постоянно ищут новые технологии для следующего поколения приборов — поколения, которое, возможно, не будет установлено ранее 2022-2023 годов.

— Можете ли вы подробно описать день 14 сентября 2015 года, когда вы получили информацию о первом обнаружении гравитационных волн?

— Есть несколько онлайн-систем анализа данных для LIGO, осуществляющих поиск сигналов, не специфической формы, а просто сигналов любого рода, которые относительно коротки, так как, в отличие от коротких, вы не можете эффективно искать длинные сигналы, не зная их формы. Эта онлайн-система анализа обнаружила сигнал, установила, что это импульсный сигнал, так как по имеющейся информации это было что-то осциллирующее на низких частотах, а затем повышающееся до высоких частот и выглядящее как нечто, произведенное двойными черной дырой или нейтронной звездой. Система изучила этот сигнал в отдельных деталях и выложила анализ и данные на международный сайт, доступ к которому имеют только люди, входящие в проект LIGO.

И все это происходит в течение нескольких минут. Когда я встал утром, это было в Калифорнии, около семи часов утра. Я проверил свою электронную почту и увидел письмо от Кристиана Отта, являющегося одним из моих преемников в Калифорнийском технологическом институте, который возглавляет программу, моделирующую источники гравитационных волн на компьютере. В своем письме он сообщал, что имеется возможное обнаружение и необходимо зайти на сайт. Я проверил на сайте — это было очень убедительно и выглядело как слияние двух черных дыр. Поэтому следующим был вопрос, не является ли это «слепым сигналом»: когда с целью проверки работы системы специальная команда из трех человек посылает сигнал в прибор путем перемещения одного из зеркал, при этом оставшаяся часть команды не знает об этом, анализирует сигнал и верно идентифицирует его. Такие «слепые сигналы» практикуются редко, их проводят один или два раза в год. Поэтому я решил, что это, возможно, «слепой сигнал», так как он был очень сильным и ясным. Я отправил письмо Кристиану, спрашивая, не результат ли это «слепого сигнала». Это предполагалось держать втайне, но он ответил: «Я являюсь одним из трех людей, которые создают "слепой сигнал", и мы не делали этого». Я не знал, что он был одним из тех трех.

Также была вероятность того, что это был еще какой-то сигнал от неизвестного источника. Но ряд экспертов проинформировал меня, что любое излучение оставляет «отпечатки пальцев» — собственные следы в многочисленных каналах данных. Таким образом, к концу дня стало точно понятно, что это реальное излучение. Моя собственная реакция в тот первый день была не возбуждение, а сильное удовлетворение, ведь получалось, что мы наблюдали источник гравитационных волн, который, по моим ожиданиям, мы и должны были увидеть первым. Еще с начала 80-х годов я полагал, что первым, что мы увидим, будет слияние двух больших черных дыр, и это произошло именно так. Рэй Вайс, который запустил LIGO вместе с Роном Дривером и мной, отреагировал так: «Я сбросил эту обезьяну со спины». У нас это выражение, «обезьяна на спине», означает, что вас что-то сильно тревожит, не дает спать по ночам. Мы с ним убедили Национальный научный фонд и американский Конгресс выделить миллиард долларов, но до этого времени мы ничего не обнаруживали. Это сильно беспокоило Рэя, и обнаружить что-то было для него вопросом тревоги, которая теперь прошла.

— Стало ли неожиданностью, что черные дыры оказались такими большими?

— Я был вполне уверен, что именно так и произойдет. Начиная проект LIGO, мы знали, что для двойных черных дыр и двойных нейтронных звезд действует принцип: расстояние, с которого вы можете увидеть источник, приблизительно пропорционально массе бинарных тел. Это означает, что их объем, который также можно наблюдать, — это куб массы. Поэтому я полагал, что то, что черные дыры намного тяжелее нейтронных звезд, будет гораздо более весомым фактором, нежели то, что черные дыры встречаются реже нейтронных звезд. Следовательно, я считал, что мы будем наблюдать черную дыру размером 10 или 15 солнечных масс, которая все же в 10 раз тяжелее нейтронных звезд, следовательно, объем будет больше в тысячу раз. Есть черные дыры размером в 30 солнечных масс, то есть это масса в 20 раз больше, а объем — в 10 000 раз. Я просто полагал, что это перевесит то, что они более редкие звезды, так и произошло. Однако практически все остальные исследователи проекта LIGO считали, что это будут нейтронные звезды. Это и стало основной гипотезой, которую разрабатывала команда, прикладывая наибольшие усилия для создания условий обнаружения двойных нейтронных звезд.

— Четыре года назад ученые открыли бозон Хиггса. Сейчас открыли гравитационные волны. Какие открытия вы ожидаете в будущем? Возможно, станет более ясна природа темной материи?

— Я не считаю себя большим экспертом по будущим открытиям. Это будет чрезвычайно важное событие, когда мы поймем природу темной материи и темной энергии. Гравитационные волны от всех остальных открытий отличает то, что они закладывают основу совершенно новой науки, тогда как эти прочие открытия, отвечая на важные вопросы о природе, не открывают нового пути наблюдения за Вселенной. Гравитационные волны станут со временем основной частью астрономии и космологической модели, поэтому это открытие принципиально отличается от других.

– Мой последний вопрос будет о фильме «Интерстеллар», в создании которого вы принимали участие. В нескольких сценах в фильме появляется старомодная меловая доска, исписанная тензорными формулами. И в иных местах можно заметить, помимо латинских и греческих индексов, кириллические буквы «Я» и «Б». Есть ли здесь связь с Яковом Борисовичем (Зельдовичем — прим. Indicator.Ru)?

— Да. Я написал эти уравнения на доске в офисе профессора Бренда, героя фильма, и добавил русские буквы. Я был близким, очень близким другом Якова Борисовича. У меня же в офисе висит его фотография вместе с Брагинским, сделанная незадолго до смерти Якова Борисовича. У меня много фотографий из России, одна из них особенно интересна: это были официальные переговоры советской Академии наук и американской Академии наук. Я думаю, Рейган и Горбачев договорились о новом научном обмене между США и Россией, и на этих переговорах и подписывалось это соглашение об обмене.

Автор выражает благодарность Breakthrough Prize Foundation за помощь в организации интервью.