7
Лазерная эпопея

Я посещал LIGO дважды.

Впервые – весной 1998 г., когда Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая лаборатория еще строилась и состояла из огромного короба и двух стальных труб диаметром 1,2 м. Начальник строительства Джерри Стэпфер провел меня по площадке, но смотреть было не на что. «Здесь будет пост управления» – большая пустая комната с нераспакованными коробками. «Здесь дирекция» – пустые комнаты поменьше с мебелью, обернутой в полиэтилен. «А здесь LVEA», зона размещения лазерного и вакуумного оборудования, – громадный пустой зал: вилочный погрузчик в дальней части казался игрушечным. Маленький круг на бетонном полу отмечал местоположение сердца LIGO – светоделителя.

Во второй раз я посетил обсерваторию в конце января 2015 г., примерно через 13 лет после того, как LIGO начала поиск гравитационных волн. Совсем иное впечатление! Луч лазера переотражался внутри двух 4-километровых плеч интерферометра. Я почти 10 минут ехал на машине от одного конца L-образного детектора до другого (огромные размеры всего комплекса можно оценить с воздуха или с помощью Google Earth). На посту управления молодые ученые и инженеры прилипли к мониторам: повсюду хипстерские бороды, «хвосты» и ботанские футболки. На гигантских экранах по стенам отображалось состояние инструментов детектора. Зона LVEA была заполнена чуткими приборами, упрятанными в вакуумные резервуары из нержавеющей стали. Готовые декорации для фильма о Джеймсе Бонде!

Совершенно другой вид открывался с крыши главного здания. В 1998 г. передо мной простирались леса и болота под Ливингстоном в Луизиане. В 2015 г. раскинулась пустынная панорама Хэнфордского комплекса на юго-востоке штата Вашингтон. Не спешите удивляться! Напомню, что были построены две одинаковые обсерватории LIGO на расстоянии около 3030 км друг от друга (по той же причине, по которой Джо Вебер работал с двумя далеко разнесенными в пространстве резонансными антенными детекторами, – чтобы исключить ложноположительные результаты). Однако, находясь внутри, вы не заметите разницы между двумя научными комплексами. Ученые из Ливингстона, приезжающие в Хэнфордскую обсерваторию, легко в ней ориентируются (разве что некоторые двери открываются иначе).

Принадлежащий министерству энергетики Хэнфордский комплекс к северу от города Ричланда не пользуется популярностью у туристов. Семьдесят с лишним лет назад здесь работал плутониевый реактор, вырабатывающий топливо для атомной бомбы, которая была взорвана над японским городом Нагасаки в августе 1945 г. К северо-западу от LIGO счетчики Гейгера выдают присутствие огромного подземного хранилища радиоактивных отходов. Трасса № 10, соединяющая шоссе № 240 и дорогу Глейд-Норт, представляет собой длинную прямую полосу асфальта в пустыне. Пыль и перекати-поле проносятся через короткую подъездную дорогу к LIGO.

В Луизиане все иначе. Ливингстон – тихий городок к востоку от Батон-Руж. Автозаправочная станция, хозяйственный магазин и несколько сотен домов – вот, собственно, и все. Поворот за магазином фейерверков выводит на трассу № 63, проложенную на север. Следуя плавным изгибам шоссе, вы недолго едете через лес и оказываетесь на грунтовке, ведущей в северо-западном направлении к обсерватории. Главное здание окружено маленькими прудами и группами деревьев. Обстановка более расслабленная и непринужденная, как и следует ожидать в «Пеликаньем штате».

Здесь ранним утром в понедельник, 14 сентября 2015 г., – если быть точным, в 04:50:45 по летнему времени центральных штатов (Ливингстон) или в 02:50:45 по тихоокеанскому летнему времени (Хэнфорд) – писалась история науки. Через столетие после того, как Альберт Эйнштейн завершил работу над общей теорией относительности, обсерватории-близнецы LIGO осуществили первую прямую регистрацию проходящей гравитационной волны. В течение примерно 1/5 секунды чувствительные детекторы измеряли слабые возмущения пространственно-временного континуума в 10 000 раз меньше диаметра протона – ядра атома водорода. Долгие десятилетия поисков наконец увенчались успехом.

Мы еще вернемся к разговору о GW150914, а в главе 8 я подробнее расскажу о непростой судьбе LIGO. Но сначала познакомимся с техническим решением. Это потрясающе! Одна десятитысячная размера атомного ядра – как можно измерить настолько слабый эффект? И откуда уверенность, что регистрируются действительно волны Эйнштейна, а не что-нибудь более ординарное?

Давайте начнем с основ. Что именно мы пытаемся измерить? Колебания пространственно-временного континуума. Я рассказывал об этом понятии в главе 4 – не стесняйтесь перечитать соответствующие абзацы, если вам нужно освежить память. Напомню самую суть. Нарисуйте на земле большой квадрат. Гравитационная волна, приходящая перпендикулярно из точки прямо над вашей головой (зенита), слегка деформирует квадрат. Сначала он увеличивается в направлении север – юг и уменьшается в направлении восток – запад. Затем сжимается по оси север – юг и растягивается на восток и запад. Квадрат дрожит. Насколько быстро? Это зависит от частоты волны. Насколько сильны деформации? Это зависит от амплитуды волны.

Таким образом, от нас требуется точно фиксировать размеры квадрата, желательно одновременно в двух направлениях. Разумеется, незачем измерять все четыре стороны. Достаточно следить за двумя перпендикулярными сторонами, сходящимися в одном из четырех углов. Возникает L-образная структура. Этим и продиктована форма LIGO.

Что, если гравитационная волна приходит не строго сверху? Два плеча L-образной структуры и в этом случае будут растягиваться и сжиматься, но в меньшей степени, в зависимости от угла падения. Однако LIGO действительно гораздо чувствительнее к волнам Эйнштейна, идущим из зенита, точно сверху – или точно снизу (помните, Тони Тайсону пришлось напомнить Джо Веберу, что Земля прозрачна для гравитационных волн).

Если вы хотите измерить меняющиеся длины двух плеч L, никакая линейка вам не поможет. Дело в том, что растягивается и сжимается сам пространственно-временной континуум, следовательно, все, что находится в нем, будет растягиваться и сжиматься вместе с ним. Если деформируется одно плечо L, то приложенная к нему линейка деформируется точно так же. Поэтому ученые оценивают изменение длины по изменению интервала времени, необходимого свету для того, чтобы дойти от одного края плеча до другого.

Одно из основных предположений ОТО – постоянство скорости света. Не важно, что происходит с пространственно-временным континуумом, свет всегда движется с одной и той же скоростью – 300 000 км/с. Таким образом, если пространственно-временной континуум растягивается в определенном направлении – если между двумя точками становится чуть больше пространства, свету понадобится на ничтожную долю секунды больше времени, чтобы попасть из точки А в точку В. Значит, вместо линейки нужно использовать часы.

Физики и астрономы в совершенстве владеют точным измерением времени. Хороший пример приводился в главе 6. Время прихода импульсов двойного пульсара измерялось с точностью выше одной миллионной секунды. Этого достаточно, чтобы вычислить массы и орбитальные параметры звезд системы. Как мы видели, это позволяет даже зарегистрировать гравитационные волны, хотя и косвенно.

Однако, если посылать световые импульсы из одного конца плеча и измерять время их прихода в другой конец, мы получим недостаточно точные для наших целей результаты. Допустим, мы могли бы измерить время прихода импульса с точностью до одной миллионной секунды (0,1 мкс). Это позволило бы регистрировать изменения расстояния около 30 м (одна десятимиллионная от 300 000 км). Но волны Эйнштейна, приходящие к Земле, не могут иметь настолько большую амплитуду (наши тела не выдержали бы существенного растяжения и сжатия пространственно-временного континуума.) Поэтому световые импульсы нам не помогут.

Если точность в доли микросекунды недостаточна для регистрации гравитационных волн на Земле, как Джо Тейлор и Джоэл Вайсберг сумели доказать их существование путем измерения времени прихода импульсов? Очевидно, потому, что могли годами дожидаться проявления эффекта снижения орбиты пульсара. В случае LIGO этот подход неприменим. Волны нужно зарегистрировать в тот самый момент, когда они проходят через детектор. Единственный выход – резко повысить чувствительность аппаратуры. Нужно научиться измерять изменения времени прохода света с точностью порядка миллиардных долей от миллиардной доли секунды. Настолько точных часов не существует.

Решением является интерферометрический метод. От его названия происходит буква «I» в аббревиатуре LIGO. Явление интерференции можно наблюдать на поверхности пруда. Если бросить в воду камень, возникают волны в виде концентрических кругов. Бросьте второй камень в нескольких метрах от первого, и от него также станут расходиться волны. Две группы волн пересекаются друг с другом. В определенных точках, куда гребни двух волн прибывают одновременно, те объединяются в более высокую волну. В других точках, где гребни волн одной группы встречаются с ложбинами другой, волны нейтрализуют друг друга. Возникает картина интерференционных полос – чередование вдвое более высоких и подавленных водяных волн.

Свет ведет себя так же. Два источника света, находящиеся в фазе, гребни и ложбины волн которых совпадают, взаимно усиливаются. Иными словами, амплитуда удваивается (энергия возрастает). Это так называемая усиливающая интерференция. Если же волны света находятся в противофазе, то есть гребни одной волны приходятся на ложбины другой, то они уничтожают друг друга. Это ослабляющая интерференция.

Предположим, у нас имеются два луча оранжевого света с длиной волны 600 нм (0,6 мкм). Они испускаются в одной фазе, но в разных направлениях. Пройдя некоторый путь, оба луча отражаются от зеркала обратно в точку, откуда пришли. Если два зеркала расположены строго на одинаковом расстоянии от источника света, волны на момент встречи по-прежнему будут в фазе. Вследствие этого общий свет будет ярче каждого отдельного луча.

Теперь допустим, что путь до одного из зеркал совсем немного удлинился – время прохождения светом пути увеличилось на одну фемтосекунду. Фемтосекунда – это одна миллионная миллиардной (10^–15) доли секунды. За одну фемтосекунду свет проходит расстояние 300 нм. Тогда по возвращении к источнику одна световая волна будет отставать от другой на половину своей длины. Гребни и ложбины двух световых волн перестанут совпадать. Они окажутся не в фазе (в данном случае в противофазе, когда гребни одной волны точно совпадают с ложбинами другой). В результате волны нейтрализуют друг друга.

Таким образом, с помощью интерферометра можно измерять различия времени прибытия импульсов с точностью до фемтосекунд. Возможно, и этого недостаточно для наших целей, но это уже кое-что.

В данном методе удобнее всего работать со светом определенной длины волны (или цвета). Белый свет состоит из света всех цветов радуги. Поскольку он включает различные длины волн, белый свет не очень подходит для интерферометрии. Свет лазера имеет лишь один строго определенный цвет – конкретной длины волны. Определенно, нам нужен лазер. Отсюда буква L в аббревиатуре LIGO. Здесь используются не лазеры видимого света, а почти инфракрасные, с длинной волной 1064 нм.

Как добиться идеального совпадения двух пучков света лазера по фазе? Это просто: взять один пучок и разделить его на два пучка с помощью светоделителя. Светоделитель – зеркало, отражающее только половину падающего на него света. Другая половина проходит сквозь зеркало. Хорошим примером светоделителя являются ваши солнцезащитные очки. Одна часть падающего на их стекла света проходит насквозь (иначе вы бы ничего в них не видели), другая отражается обратно. Незачем объяснять, что светоделители LIGO намного сложнее обычных солнцезащитных очков.

Лазер, светоделитель, зеркала, детектор. Это основные элементы LIGO и всех гравитационно-волновых интерферометров. (Есть и другие, я вернусь к ним в главе 8.) Лазер дает пучок монохроматического света. Допустим, пучок направлен на восток (на рисунке он движется слева направо). Светоделитель ориентирован относительно него диагонально. Одна половина света лазера проходит сквозь светоделитель в восточное плечо L-образной обсерватории. Другая половина отражается в сторону (на рисунке «вверх») в северное плечо L-схемы, перпендикулярное восточному.

В конце каждого плеча установлено зеркало, отражающее инфракрасный свет обратно на светоделитель. Вновь половина возвращающегося света проходит насквозь и половина отражается. Теперь у нас есть световые волны, движущиеся на запад (левая часть рисунка) обратно к лазеру, и световые волны, движущиеся на юг (нижняя часть рисунка) в направлении фотодетектора – чувствительного измерителя интенсивности света, преобразующего свет в электрический сигнал. Благодаря такой схеме усилению (усиливающей интерференции) подвергаются только световые волны, распространяющиеся в западном направлении. Волны, которые были направлены на юг, к фотодетектору, взаимно нейтрализуются (ослабляющая интерференция).

Важно, что свет не может просто исчезнуть из-за того, что две световые волны разошлись по фазе. Если в одном направлении имеет место ослабляющая интерференция, значит, в другом должна происходить усиливающая. Закон сохранения энергии – один из непреложных законов природы. (В пруду происходит то же самое: водяные волны от двух камней нейтрализуют друг друга в некоторых местах, но это возможно только потому, что во всех остальных местах они суммируются.) Таким образом, при равной длине плеч – в стандартной ситуации – свет лазера выходит из интерферометра там же, откуда пришел, а фотодетектор ничего не видит. Поэтому южную сторону светоделителя называют темным портом.

Что происходит при прохождении гравитационной волны? Длины плеч (и соответствующее время прохождения света) меняются. Сначала северное плечо удлиняется, а восточное укорачивается, затем северное сжимается, а восточное растягивается. Свету, возвращающемуся от одного концевого зеркала, требуется на исчезающе малую долю секунды больше времени, чтобы достичь светоделителя, чем свету, идущему обратно от зеркала в другом плече. Усиливающая интерференция в направлении лазера проявляется уже не на 100 %, как и ослабляющая интерференция в направлении фотодетектора. Даже при невероятно малом различии длин (намного меньшем, чем длина волны лазера) какой-то свет попадает в темный порт. Чувствительный фотодетектор может его уловить. Есть! Мы зарегистрировали гравитационную волну.

Я объяснял, каким образом интерферометрия позволяет регистрировать мельчайшие различия во времени перемещения света двух пучков когерентного лазерного излучения. Очевидно, имеет смысл сделать плечи интерферометра возможно более длинными. Проходящая волна Эйнштейна будет растягивать и сжимать пространственно-временной континуум в определенной степени. Например, расстояние между двумя точками может увеличиваться и уменьшаться не более чем на одну квинтиллионную долю процента (одна доля от 10²⁰). Для двух близких точек это практически ничто. Возникающие при этом отклонения времени перемещения света настолько малы, что аппаратура не сможет их обнаружить. Но если разнести эти две точки достаточно далеко, то время перемещения света соответственно увеличится. Таким образом, чем длиннее плечи L-образной структуры, тем проще зарегистрировать гравитационные волны определенной амплитуды.

Четыре километра – это достаточно далеко? Не особенно, лучше бы 1200 км. Попробуйте сказать это тем, кто вас финансирует! Однако есть умное решение. Обманем пучок лазерного излучения – пусть считает, что прошел путь по туннелю длиной 1200 км. Для этого установим в каждом плече два зеркала вместо одного: первое – в дальнем конце плеча, второе – в ближнем, возле светоделителя. Заставив свет лазера переотражаться между двумя зеркалами несколько сотен раз, вы фактически создаете плечо в 1200 км. Время перемещения света также возрастает в 300 раз, до нескольких миллисекунд. Ничтожные отклонения порядка одной доли от 10²⁰ становится проще зарегистрировать.

После нескольких сотен отражений свет, разумеется, должен выйти из своей временной «тюрьмы». Если зеркало в ближнем конце плеча отражает 97 % падающего света, остальные 3 % проходят сквозь зеркало и выходят по другую его сторону. Иначе говоря, каждый фотон света будет отражен в среднем 300 раз, прежде чем выйдет на свободу. (Наша световая тюрьма протяженностью 4 км называется резонатором Фабри – Перо.)

Освободившийся свет должен оставаться когерентным пучком лазерного излучения, иначе он не сможет интерферировать с пучком, выходящим из другого плеча. Для этого свет, пока он переотражается между двумя зеркалами, должен оставаться в фазе с самим собой. Достичь этого можно единственным способом – обеспечить такую длину пути туда и обратно между зеркалами, чтобы в нее укладывалось целое число волн данной длины. Речь идет о точности до пикометра (1 пм равен 10^–12 м, или одной миллиардной доле миллиметра). Любое отклонение нарушит итоговую картину интерференционных полос. Как говорят ученые, работающие в LIGO, плечо интерферометра должно быть заперто.

Для этого используется хитроумный механизм обратной связи. Пока путь света в обе стороны между зеркалами остается равным целому числу длин волны, фотодетектор в темном порте интерферометра ничего не регистрирует. Но если длина плеча меняется из-за какой-либо внешней вибрации, некоторое количество света попадает в детектор. Как только это происходит, на контроллер концевого зеркала в плече подается сигнал. Электрический ток течет через катушку, создавая магнитное поле. Маленькие магниты на ободе концевого зеркала подвергаются действию силы притяжения или отталкивания. Кроме магнитов, в LIGO стоят электростатические толкатели, использующие ту же силу, которая притягивает полоски бумаги к расческе с электростатическим зарядом. Благодаря этому зеркало можно немного двигать назад и вперед – достаточно, чтобы восстановить запирание плеча.

Проходящая гравитационная волна также нарушит первоначальную интерференционную структуру в силу возникающих отклонений времени прихода света. Фотодетектор начнет регистрировать свет. Сработает механизм обратной связи, изменив текущий через катушку электрический ток и силу магнитного поля. В результате зеркала сдвинутся так, чтобы восстановить идеальную ослабляющую интерференцию в темном порте.

Если вы будете постоянно считывать изменения электрического тока, проходящего через катушку, то получите отчетливую картину крохотных вынужденных движений зеркала. Большинство этих восстанавливающих запирание плеча движений обусловливаются внешними вибрациями («шумом»), но некоторые могут быть вызваны искомыми волнами Эйнштейна.

Временно задерживая свет лазера в интерферометре при помощи двух зеркал, получаем дополнительное преимущество – накопление энергии в двух плечах. Благодаря этому свет в резонаторе Фабри – Перо представляет собой намного более мощный и равномерный поток фотонов, чем свет, минующий резонатор. Это важно, если требуется измерить чрезвычайно малые изменения выходного сигнала, как в нашем случае.

Чтобы понять, почему чем больше фотонов, тем точнее измерения, представьте, что хотите с точностью определить, насколько сильный ливень идет в Луизиане во время летней грозы. Вы находитесь в хижине с железной крышей, и все, что у вас есть, – это старомодный измеритель интенсивности шума, в котором игла двигается по дуге. Вы решаете использовать звук капель, барабанящих по крыше, в качестве показателя силы дождя. При слабом дожде вы услышите «кап… кап-кап… кап». Будет очень трудно определить, насколько шумным является дождь, и игла шумомера бешено мечется туда-сюда. Этот эффект называется дробовым шумом. Но вот гроза усиливается, дождь становится проливным. Игла движется по шкале и останавливается на определенном значении, которое может быть считано с высокой точностью. Вот почему нам нужно много света – большое количество фотонных «дождевых капель», чтобы знать, насколько именно меняется уровень освещенности при смещении зеркал.

Итак, мы создали практически идеальный интерферометр. Он имеет виртуальные плечи почти в 1200 км длиной, позволяющие регистрировать чрезвычайно малые изменения времени перемещения света. В случае этих изменений темный порт перестает быть совершенно темным. Какое-то количество света попадает на фотодетектор. Накачивая мощность лазера в двух плечах интерферометра, мы в значительной мере устранили дробовой шум. Теперь даже ничтожные изменения количества света из-за прохождения волны Эйнштейна выделяются на фоне остаточного шума.

Разумеется, поиск гравитационных волн осложняют многие другие проблемы.

Среди них с большим отрывом лидируют: захлопнувшаяся дверь или проехавший грузовик, шаги людей поблизости, промышленная деятельность в соседнем городе, крохотные изменения температуры, отдаленная гроза, влияющая на молекулы воздуха, лесозаготовки вблизи обсерватории (в случае LIGO в Ливингстоне), удары тихоокеанских волн о берег на юге штата Вашингтон (в случае LIGO в Хэнфорде), микросейсмическая активность – список можно продолжить. Зеркала требуют максимально возможной изоляции от этого «сейсмического шума», который не позволит выделить крайне слабый эффект проходящей гравитационной волны.

Огромные усилия были затрачены на разработку хитроумных систем подвеса зеркал. Чтобы изолировать зеркала от внешних колебаний, были применены практически все известные приемы. Вибрационные датчики подают входной сигнал на самонастраивающиеся системы демпфирования, противодействующие колебаниям почвы, – примерно так же устроены микрофоны с шумоподавлением. Дальнейшую изоляцию обеспечивают сложные системы свободно свисающих плоских пружин и амортизаторов. Самым эффективным средством защиты является маятниковый механизм.

Демпфирующую способность маятника продемонстрирует очень простой эксперимент. Возьмите тонкую веревку или леску около метра длиной. Привяжите к ручке тяжелой кофейной чашки. Поднимите веревку за свободный конец, чтобы чашка повисла неподвижно. Если медленно повести конец веревки влево или вправо, чашка неохотно последует за движением, если же перемещать конец веревки быстро, чашка вообще едва шелохнется. Система работает еще лучше, если другой веревкой привязать под первой чашкой вторую: быстрые перемещения верхнего конца подвеса не оказывают видимого влияния на нижнюю чашку. Аналогично подвешенное зеркало удается изолировать от высокочастотных вибраций в окружающем пространстве. В LIGO применяется четырехэтапная система подвеса. Достоинство первое: зеркала являются толстыми и тяжелыми – 34 см в диаметре, толщиной 20 см и весом около 40 кг. Достоинство второе: они висят на проволоке минимально возможной толщины (0,4 мм) из плавленого кварца – особого стекла, отличающегося огромной прочностью. Достоинство третье: зеркала имеют чрезвычайно высокий уровень чистоты и простоты – зеркала LIGO представляют собой тщательно отполированные цилиндры из аморфного кварца.

Очевидно, избавиться от всех вибраций невозможно. Всегда будет какой-то неподавленный сейсмический шум, сколь угодно малые остаточные движения зеркал. Для полной уверенности в том, что чрезвычайно слабый сигнал гравитационной волны будет опознан, нужны как минимум два одинаковых детектора, разнесенные на сотни или даже тысячи километров. Фоновый шум в двух обсерваториях будет разным, а любой сигнал пришедшей из космоса гравитационной волны – одинаковым. Возможны мелкие различия в деталях в зависимости от направления источника сигнала и относительной ориентации двух интерферометров. Но обе лаборатории, в Ливингстоне и в Хэнфорде, должны зарегистрировать одну и ту же гравитационную волну в интервале сотой доли секунды. (В действительности с 2002 по 2010 г. проходящая гравитационная волна должна была регистрироваться тремя инструментами. Не многие знают, что в Хэнфорде изначально было два отдельных, совершенно независимых интерферометра: один имел плечи в 4 км, другой в два раза короче, те и другие размещались в общих туннелях.)

Незачем говорить, что лазер, светоделитель и фотодетектор также должны быть максимально изолированы от внешних вибраций. Более того, все чувствительные части интерферометра заключены в гигантские вакуумные резервуары. Даже из 4-километровых плеч – стальных труб, внутри которых переотражаются пучки лазерного излучения, – откачан весь воздух. Недопустимо, чтобы зеркала дрожали вследствие бомбардировки молекулами воздуха. Нельзя также допустить рассеяния лазерного излучения молекулами воздуха и крохотными частицами пыли. Система глубокого вакуума LIGO объемом около 9000 куб. м является одной из крупнейших в мире.

Еще одна потенциальная проблема – это лучевое давление, оказываемое пучками света лазеров на зеркала. Есть также «тепловой шум» – крайне слабые движения молекул в отражающем покрытии зеркал при нормальной температуре окружающей среды. Разумеется, слабо изогнутая поверхность зеркал должна быть отполирована максимально чисто, поскольку малейшие неровности уничтожат когерентность лазерного излучения.

Список потенциальных источников шума далеко не полон, я лишь пробежался по верхам. Все эти эффекты грозят помешать регистрации гравитационных волн, но все и каждую из проблем ученые и инженеры смогли решить или обойти.

Дополнительные подсистемы интерферометра еще больше увеличивают чувствительность. Например, лазерный «чистильщик» (официальное название – фильтр входного сигнала) гарантирует максимально возможную чистоту и стабильность света лазера. Волны, входящие в туннели, должны иметь в точности одинаковую длину и быть идеально когерентными.

Еще один обязательный элемент – зеркало рециркуляции мощности. Полагаю, вы помните, что происходит, когда пучки лазерного излучения, возвращающиеся из двух плеч L-образной конструкции, снова встречаются на светоделителе: они нейтрализуют друг друга в одном направлении (к темному порту) и взаимно усиливаются в другом (в направлении лазера). Таким образом, во время эксплуатации в штатном режиме довольно много лазерного излучения возвращается туда, где возникло. Не использовать эту мощность лазерной установки означало бы транжирить ресурсы. Зеркало рециркуляции мощности отправляет свет обратно в интерферометр. В результате еще больше фотонов носятся взад-вперед по туннелям, а чем выше мощность лазерного излучения, тем выше точность измерений.

Намного меньшее количество света, который время от времени попадает в темный порт инструмента, также идет в дело, отражаясь обратно в плечи интерферометра. Этот достаточно новый процесс называется рециркуляцией сигнала. Ученые даже экспериментируют с так называемым сжатым светом – хитростью из области квантовой оптики, в которой принцип неопределенности Гейзенберга оборачивается нам на пользу. Не волнуйтесь, если вы не вполне его понимаете, этим могут похвастать немногие физики. Важен результат – еще большая точность.

Большая наука, например физика гравитационных волн, дело непростое. Резонансные антенны Джо Вебера были весьма продвинутыми – один из собственных детекторов Вебера ныне выставлен перед входом в обсерваторию LIGO в Хэнфорде, – но создание действующего интерферометра для регистрации волн Эйнштейна представляет собой задачу совершенно другого уровня. Все здесь является выходом на пределы возможностей науки и технологии. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с примесью неодима (Nd: YAG), фильтры входного сигнала, светоделители, система сверхглубокого вакуума, сверхгладкие кремниевые зеркала, антивибрационные системы шумоподавления, рециркуляция мощности и сигнала, чувствительные фотодетекторы, невероятно точные измерения – все должно функционировать идеально согласованно и безошибочно.

Так и происходит, о чем свидетельствует регистрация GW150914. Почти через столетие после того, как Альберт Эйнштейн выдвинул предположение о существовании неуловимых возмущений пространственно-временного континуума, физики наконец смогли зарегистрировать их напрямую. Самое время поговорить о настойчивости.

Весной 1998 г. начальник строительства LIGO в Ливингстоне Джерри Стэпфер в разговоре со мной выразил уверенность, что гравитационные волны будут зарегистрированы вскоре после ввода интерферометра в эксплуатацию в 2002 г. «Нужно во что-то верить», – сказал он. Однако и к 2010 г. долгие месяцы наблюдений ничего не дали. По общему мнению, первая версия LIGO была недостаточно чувствительна, чтобы сделать хотя бы одну убедительную регистрацию за 8 лет.

Почти через 17 лет после моего первого посещения, в январе 2015 г., Фредерик Рааб, тогда руководитель LIGO в Хэнфорде, был столь же оптимистичен. «Все очень удивятся, если ничего не найдется», – заявил он. К тому времени в уже имевшихся зданиях и туннелях был собран совершенно новый комплекс из лазеров, зеркал, систем подвеса и детекторов. Ученые, инженеры и техники занимались пусконаладочными работами; только что впервые удалось добиться запирания в одном из плеч интерферометра. Детектор во втором, усовершенствованном воплощении Advanced LIGO (aLIGO) после полной отладки должен был стать в 10 раз чувствительнее первоначального Initial LIGO (iLIGO) и смог бы принимать сигналы от источника в 10 раз более дальнего, наблюдая за пространством, в 1000 раз более обширным. Оптимизм Рааба оказался оправданным.

Тем не менее на обратном пути через пустыню в отель в Ричланде я вспоминал множество предыдущих ошибок и фальстартов в поиске гравитационных волн. Величайшие умы планеты десятилетиями спорили на эту тему. Сам Эйнштейн никогда не был совершенно убежден в их существовании. До сих пор поиск – а попыток было много – ни разу не увенчался успехом. Теперь новое поколение блестящих ученых делает решающую ставку на гигантские дорогостоящие лазерные интерферометры – самое чувствительное измерительное оборудование в истории человечества.

Что, если они ошибаются? Что, если окажется, что волн Эйнштейна не существует?

Той ночью я не смог заснуть. Рядом трудятся ученые, и некоторые посвятили разработке этого метода больше 40 лет. Они преодолели технологические ограничения, политические препоны, проблемы финансирования и личные конфликты. Они отдали все, чтобы достичь результата – создания гигантских лазерных установок, которые наконец зарегистрируют волны в самой ткани мироздания. Вдруг все это зря?

Пока я беспокоился, распространяющееся возмущение пространственно-временного континуума, вызванное столкновением двух ЧД в дальней части Вселенной, почти завершило свой путь продолжительностью 1,3 млрд лет к нашей крохотной планете на окраине Млечного Пути. Утратив первоначальную мощь, оно стало не более чем легчайшим шепотом, неразличимым для любых ушей, кроме самых чутких. Первая волна Эйнштейна, которой предстояло быть впервые зарегистрированной на Земле, уже миновала Проксиму Центавра, нашу ближайшую звездную соседку. Она почти неуловимо растянула и сжала ледяные кометы на одной стороне облака Оорта. В двух третях светового года впереди находилось Солнце, вокруг которого вращается крохотная голубая планета.

В нужный момент LIGO будет готова.