Блюз черных дыр и другие мелодии космоса - [7]

Идея пришла к нему во время курса лекций, который он, начинающий профессор, читал на еще мало тогда известную тему: общая теория относительности Эйнштейна, теория искривленного пространства-времени.

– В институте подумали – черт побери, он же работал в Принстоне, так что наверняка должен разбираться в теории относительности!.. Но я знал о ней не больше, чем писали в популярной литературе. Я имею в виду общую теорию относительности, не специальную.

Мне стыдно было признаться, что я не знаю общей теории относительности. Я ведь запустил здесь исследовательскую программу по изучению гравитации, а теперь вдруг скажу всем, что совершенно не разбираюсь в общей теории относительности?.. Короче, это была проблема. Но не мог же я просто отказаться!

И я начал читать курс по теории относительности. К истории LIGO все это имеет вот какое отношение: эксперимент был придуман как раз во время этих лекций. В году то ли 1968-м, то ли 69-м. В освоении материала я опережал своих студентов всего на один день. У меня были страшные сложности с математикой. Поэтому я старался все объяснять при помощи мысленных экспериментов. Пытался сам все осмыслить. Математика всегда оставалась вне пределов моего понимания, но я не сдавался и продолжал стараться. Мои лекции посещали очень хорошие студенты – они не могли не заметить, что материал я объясняю довольно неуклюже, и все-таки им было интересно, потому что я всегда стремился рассказывать в основном об экспериментах, а это было редкостью. Никто прежде не читал курс по общей теории относительности, сосредотачиваясь на экспериментах… И студенты не прогуливали мои занятия. Потому что я рассказывал им много такого, чего они больше нигде не смогли бы услышать.

И вот они попросили меня обсудить гравитационные волны. Я прочитал статьи Эйнштейна на немецком языке, я ведь говорю по-немецки. И почерпнул оттуда простую идею: можно посылать лучи света, заставив их отражаться от тел, и измерять, что с ними происходит. Это единственное, что я по-настоящему понял во всей его чертовой теории.

Я поставил перед студентами задачу в виде мысленного эксперимента, потому что так ее хотя бы можно было решить, – предложил измерять гравитационные волны, посылая лучи света между телами. Идея заключалась в том, чтобы разместить в вершинах прямоугольного треугольника тела, свободно парящие в вакууме. Посылая между ними лучи света, мы можем выяснить, как гравитационная волна влияет на время, необходимое, чтобы свет дошел от одного тела до другого. Очень абстрактная задача. Трудно было даже представить, что она может иметь какое-то практическое значение…

Итак, пусть зеркала свободно парят в пространстве параллельно друг другу. Если измерять расстояние между ними, то удастся зафиксировать изменение формы пространства-времени, а значит, зарегистрировать гравитационную волну. Поскольку скорость света неизменна, время, которое требуется световой волне для распространения между двумя объектами, зависит от длины ее пути. Если свет проходит расстояние между зеркалами немного дольше, то получается, что расстояние между зеркалами увеличилось. Если же время распространения света между зеркалами оказывается чуть короче, значит, расстояние между зеркалами сократилось.

Даже самые точные часы в мире не в силах зарегистрировать такие маленькие изменения времени. И Рай придумал использовать плавающие зеркала для создания гораздо более прецизионного инструмента – интерферометра[6]. В интерферометре свет распространяется вдоль двух плеч прибора, расположенных друг относительно друга под прямым углом, в виде буквы Г. Лазерный луч разделяется надвое, так что один луч распространяется вдоль одной части буквы Г, а другой – вдоль второй, перпендикулярной, части. Каждый луч отражается от зеркала, расположенного на дальнем конце соответствующего плеча, и возвращается в исходную точку, где оба луча интерферируют друг с другом. В месте интерференции лучей появляются чередующиеся зоны двух типов. Если свет прошел одинаковое расстояние в каждом из направлений, то световые волны в одних зонах складываются, образуя яркие светлые пятна, а в других – идеально компенсируют друг друга, образуя абсолютно темные пятна. Если же длина плеч разная, то лучи света также соберутся вместе, но уже неидеально, иными словами, синхронизация между ними нарушится. (Интерферометр сокращенно называют ifo, причем иногда это коротенькое слово произносят не плавно, а выговаривают каждую букву по отдельности, словно они разделены знаками препинания, – i.f.o.)

Рай продолжает:

– Эта идея захватила многих моих студентов.

Самый главный итог того давнего курса лекций – ко мне пришли работать аспиранты. У нас проводились и вечерние занятия – лаборатория была замечательная, – и я все думал об этом странном мысленном эксперименте с парящими зеркалами и лучами света, бегающими между ними. Постепенно мне стало казаться, что идея не такая уж отвлеченная, вполне осуществимая на практике…

Рай корпел над этой задачей целое лето и после успешно проведенных в его лаборатории расчетов и экспериментов создал в существовавшем еще тогда Фанерном дворце первый маленький прототип детектора гравитационных волн. Небольшому прибору с зеркалами в центре и на концах плеч буквы Г длиной в полтора метра каждое, безусловно, не хватало чувствительности, чтобы обнаружить настоящие изменения формы пространства-времени. Однако он демонстрировал справедливость самого подхода. Теперь Рай и его студенты могли разрабатывать алгоритмы для изучения гипотетических данных, которые будут получены, если Земли достигнут гравитационные волны от взорвавшейся звезды или если две черные дыры, все быстрее и быстрее вращающиеся вокруг центра своего столкновения и в конце концов сливающиеся в одну большую безмолвную черную дыру, заставят пространство-время зазвучать. Исследователи таки добились стабильной работы своего “чертова прибора”, но для этого им пришлось трудиться по ночам, после закрытия метро, потому что Фанерный дворец сотрясался, а зеркала раскачивались, когда поезд проезжал по красной ветке, пролегавшей рядом с институтом. Раю даже удалось договориться о перекрытии в выходные дни движения по улице Вассара, поскольку настройки прибора безнадежно сбивались, стоило по ней прогрохотать грузовику. Описывая этот экспериментаторский героизм, Рай довольно улыбается – так широко, словно уголки его губ приподнимаются воздушными шариками. Еще бы: ведь они смогли создать работающий прототип детектора в таких абсурдных условиях! Впрочем, возможно, именно абсурдные условия им тогда и требовались.