Нобелевскую премию по физике вручили исследователям гравитационных волн

Нобелевскую премию по физике получила группа ученых из обсерватории LIGO «за решающий вклад в детектор LIGO и за наблюдение гравитационных волн», сообщается на сайте премии.

Денежное вознаграждение в размере 1,1 миллиона долларов (9 миллионов шведских крон) разделили между собой Райнер Вайсс (получил 50% премии), а также Кип Торн и Барри Бэриш.

Об обнаружении гравитационных волн было объявлено в феврале 2016 года. Коллаборации обсерваторий LIGO и VIRGO организовали специальную пресс-конференцию, на которой рассказали подробно о продукте слияния двух черных дыр.

Сигнал от столкновения двух черных дыр был обнаружен 14 сентября 2015 года. Он имел очень характерную форму, которая соответствует тому, что предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Результаты также были многократно проверены, так что сомневаться в них не приходится.

Две черные дыры диаметром около 150 км и массами в 29 и в 36 раз больше массы Солнца вращались вокруг друг друга со скоростью всего в два раза меньше скорости света. В конце концов объекты образовали единую массивную черную дыру. Это событие произошло 1,3 миллиарда лет назад, и в момент слияния за доли секунды примерно три солнечных массы превратились в гравитационные волны. Максимальная мощность излучения волн была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.

Достигнув нашей планеты, гравитационные волны начали сжимать и расширять ее, но этот эффект настолько мал, что только сверхчувствительные детекторы LIGO смогли распознать воздействие.

«Афиша Daily» уже подробно рассказывала об открытии ученых из LIGO и объясняла, что такое гравитационные волны и что они значат для человечества.

Райнер Вайсс родился в Берлине в 1932 году. Получил докторскую степень по физике в Массачусетском технологическом институте в 1962 году. Там же в 70-х годах он начал разработку небольшого прототипа детектора, который позже был значительно увеличен и применен LIGO для обнаружения гравитационных волн. Несколькими годами позже прототипы интерферометров были созданы и в Калтехе — под руководством Кипа Торна. Позднее физики объединили свои усилия.

Барри Бэриш родился в Омахе в 1936 году. Защитил докторскую диссертацию в Калифорнийском университете в Беркли, а затем стал преподавать в Калифорнийском технологическом институте. Именно он превратил небольшую коллаборацию в огромный международный проект — LIGO. Ученый руководил развитием проекта и созданием детекторов с середины 1990-х годов.

Кип Торн родился в 1940 году в Логане, штат Юта. Получил докторскую степень в Принстонском университете, а затем преподавал вместе с Бэришем в Калифорнийском технологическом институте. Помимо того, именно он стал научным консультантом фильма «Интерстеллар». Отрывок из его книги «Наука за кадром» можно прочитать здесь.

Эксперты телеканала «Наука 2.0» заместитель директора института физики твердого тела Российской академии наук (РАН) Эдуард Девятов и главный научный сотрудник института ядерных исследований РАН Валерий Рубаков отметили, что в коллаборации LIGO и VIRGO принимали участие более тысячи человек, каждый из которых в разной степени причастен к открытию. Однако приз был вручен основоположникам обсерваторий, вклад которых особо велик.

В группу ученых-исследователей гравитационных волн входят и научные сотрудники Московского государственного университета и Института прикладной физики РАН. Об этом «Афише Daily» сообщили в пресс-службе МГУ. Московская группа была основана членом-корреспондентом РАН Владимиром Брагинским, одним из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире, в 1992 году. В состав научной группы входят профессора кафедры физики колебаний: Игорь Биленко, Сергей Вятчанин, Михаил Городецкий, Валерий Митрофанов, Фарид Халили, доцент Сергей Стрыгин и ассистент Леонид Прохоров.

«В настоящее время коллектив научной группы Московского университета активно участвует в разработке гравитационно-волновых детекторов следующего поколения, которые придут на смену нынешним детекторам и обеспечат значительное увеличение их чувствительности, что позволит практически ежедневно обнаруживать гравитационно-волновые сигналы. Одним из таких проектов является LIGO-Voyager, в котором предполагается использовать 150-килограммовые пробные массы, изготовленные из монокристаллического кремния, охлаждаемые до температур около 120 К, а также значительно увеличить оптическую мощность в плечах интерферометра, использовать сжатый свет», — говорится в заявлении пресс-службы МГУ.

Накануне стали известны имена обладателей Нобелевской премии по физиологии и медицине, получившие награду за исследования молекулярных механизмов, лежащих в основе циркадных ритмов, более известных как биологические часы, у всех живых существ.

Специально для «Афиши Daily» открытие гравитационных волн и вручение Нобелевской премии в связи с этим прокомментировал ведущий научный сотрудник ФИАН, профессор и руководитель Лаборатории астрофизики и физики нелинейных процессов МФТИ Василий Бескин.

«Совсем грубо, это когда напряженность гравитационного поля колеблется и гравитационные волны распространяются со скоростью света. Явление [гравитационных волн] состоит в следующем. Есть некое подобие между теорией Эйнштейна и теорией электромагнитного поля Максвелла, из которой известно, что любой заряд, движущийся с ускорением, излучает энергию. Только в электромагнитизме излучение связано с электромагнитной волной, а в Общей теории относительности — с гравитационной волной. Если мы смотрим на влияние электромагнитной волны на какое-то заряженное тело, то она просто приводит к движению тела как целого. А гравитационная волна сжимает тело по одному направлению и вытягивает по-другому. Ее нельзя описать по аналогии с электромагнитной волной. Не знаю, [какую аналогию можно использовать для гравитационной волны], у нас нет такого опыта, чтобы по одному направлению [тело] сжималось, по-другому растягивалось, и наоборот.

Любое движение массивных тел приведет к гравитационному излучению, но его интенсивность настолько мала, что никакими силами это гравитационное излучение вы не обнаружите, например, если посмотреть на вращение Земли вокруг Солнца. Нужно, чтобы, во-первых, были массивные тела, во-вторых, чтобы скорость их движения была порядка скорости света. Это достижимо только в момент слияния. [В месте, где гравитационная волна только появилась], происходит очень сильное искривление пространства, описать это очень сложно. А то, что мы наблюдаем, это слабые гравитационные волны, и искривление [пространства] очень маленькое.

Гравитационные волны были предсказаны Эйнштейном ровно сто лет назад. Вы, наверное, знаете, что Общая теория относительности произвела на человечество очень большое впечатление, может потому, что это была одна из первых теорий, которая выведена дедуктивным способом. Само предсказание было совершенно неочевидным. Где-то месяц назад была конференция в честь 50-летия открытия пульсаров, и там Джозеф [Хотон] Тейлор, который вместе с [Расселом Аланом] Халсом получил Нобелевскую премию за косвенное обнаружение гравитационных волн, рассказывал историю, что в 1936 году Эйнштейн и [Натан] Розен послали статью, в которой говорили, что гравитационных волн нет. В 1960-х, 1970-х, 1980-х годах это снова проверяли, это было еще раз внимательно пересмотрено, и вердикт был такой — все-таки гравитационные волны должны существовать.

В частности, этим серьезно занимался [физик] Кип Торн. Последние несколько лет он работал над математическим моделированием, а все знают его как одного из создателей фильма «Интерстеллар». В нем важно то, что все формулы, которые написаны на доске, и все картинки настоящие. Это действительно математическое моделирование, а не просто какая-то имитация».

«Безусловно, в это открытие, в создание этого уникального прибора [LIGO] огромную роль внес Московский [государственный] университет — как в эксперименте, так и в теории. И может быть Владимир Борисович Брагинский, который, к сожалению, не дожил до Нобелевской премии, но дожил до открытия [гравитационных волн], был бы четвертым [лауреатом]. Например, о чем идет речь. Нужны было убрать все помехи. Интенсивность волны такова, что смещение зеркал, которые принимают [ее и замеряют], составляет 10⁻¹⁷ сантиметра, это тысячные доли размера протона. В этой области уже случаются квантовые эффекты, поскольку смещения настолько малы, что Принцип неопределенности Гейзенберга вносит определенные поправки. Московскому университету принадлежит значительный вклад в стабилизирующую систему, которая убирала помехи.

Еще одним чисто теоретическим моментом была оценка интенсивности. Понятно, что она зависит от расстояния до двух релятивистских объектов: двух нейтронных звезд, двух черный дыр, нейтронной звезды и черной дыры. А расстояние связано с тем, насколько часто происходят эти события. Московский университет внес большой вклад в определение этой величины. Прогнозировалось, что первая версия прибора [LIGO], которая была сделана еще лет 20 назад, будет регистрировать два-четыре события в год, но оказалось, что частота слияния звезд была сильно переоценена — они происходят реже, значит, мы будем наблюдать более далекие и слабые. Поэтому пришлось делать следующие версии [прибора] более чувствительными».

«Раньше не было прямых [подтверждений существования гравитационных волн]. За косвенное [подтверждение] фактически одна Нобелевская премия была присуждена, но всегда надо очень внимательно читать формулировку премий. Нобелевская премия Халсу и Тейлору была присуждена за открытие двойной системы и исследование в ней гравитационных эффектов. Ни слова про гравитационные волны в формулировке нет. Но фактически там было показано, что двойная система теряет энергию в точном согласии с предсказанием Эйнштейна. Когда они обнаружили двойную систему, которая теряет энергию за счет излучения гравитационных волн, то фактически подтвердили, что такие системы существуют. Поскольку оцененное время жизни двойного пульсара было 200 миллионов лет, то есть меньше, чем время жизни Вселенной, не было никаких сомнений, что эти процессы будут главным источником гравитационных волн, на которые потом был нацелен проект [LIGO].

Простейшая аналогия [работы LIGO] — это два буйка на поверхности воды, [разнесенные на несколько километров]. Этими двумя буйками являются цилиндры, выращенные из монокристалла кварца. За счет того, что они колеблются в воде, расстояние между ними меняется, а лазерная система его замеряет. Я уже сказал, насколько малы были смещения, но поскольку луч проходит этот путь многократно, их можно было зарегистрировать.
Почему [детекторы разнесены на расстояние порядка нескольких километров]? Есть очень простое объяснение. Если длина волны немного больше, чем расстояние между буйками, то они будут вместе подниматься, опускаться, расстояние между ними не изменится. Идеальный случай — когда длина волны сравнима с расстоянием между буйками, а оно как раз и равно расстоянию между двумя релятивистскими объектами в момент слияния».

«Есть очень много неэйнштейновских теорий, во многих из которых нет эффекта гравитационных волн. Они будут закрыты. Очень важен вопрос звездной эволюции. Программа [LIGO] работает, через несколько лет будут введены еще несколько таких детекторов. После этого будут [зарегистрированы] десятки таких событий, и у нас будет статистика по тому, какие системы сливаются чаще (две черные дыры, две нейтронные звезды, нейтронная звезда и черная дыра. — Прим. ред.). А это один из ключевых моментов вопросов звездной эволюции — какие системы образуются на последней стадии эволюции звезд: взрывается звезда, образуется либо нейтронная звезда, либо черная дыра.

Очень сложный момент состоит в том, чтобы две релятивистских звезды слились, потому что большинство звезд имеют достаточное расстояние между друг другом. Для того, чтобы они сблизились, гравитационного излучения недостаточно — оно все-таки очень слабое. Почему эти две уже образовавшиеся релятивистские звезды все-таки начинают сближаться — это тоже открытый вопрос звездной эволюции. И статистика должна на него ответить.

Я, правда, далек от этого, но, наверное, там много людей проиграло по ящику коньяка. Они обсуждали, какое событие будет открыто первым: слияние двух нейтронных звезд, слияние двух черных дыр и слияние нейтронной звезды и черной дыры. Было немножко удивительно, что первым было обнаружено слияние двух черных дыр, причем достаточно больших масс — 20–40 масс Солнца, значит, звезды, из которых они образовались должны быть еще большей массы».