1,3 (один і три десятих) мільярда років тому́
у далекій-далекій галактиці злили́ся дві чорні діри.
В міру несамовитого зближення по спіралі
вони створювали збурення в просторі-часі - гравітаційні хвилі.
В останню десяту частку секунди енергія, що виділилася цими хвилями, була в 50 разів більшою,
ніж енергія, що була вивільнена усіма іншими об'єктами в спостере́жуваному Всесвіті.
- Це якась неймовірна кількість енергії.
Після розповсюдження крізь Всесвіт зі швидкістю світла за більше ніж мільярд років
ці хвилі дійшли до Землі, де розтягували і стискали простір
таки́м чином, що це вплинуло на два світлові пучки́ в перпендикулярних трубах,
дозволивши людству вперше підтвердити існування гравітаційних хвиль.
Це досить проста історія, але я дізнався під час візиту до професора Ра́на Адхіка́рі у КалТе́ху,
що це відкриття приховує в собі абсурдність того́, що́ знадобилося для його здійснення.
- Багато речей стосовно гравітаційних хвиль є абсурдними.
[Мугикає симуляцію гравітаційних хвиль - не озвучувати]
Це... Це воно? [RA]: Так, це воно.
Головною проблемою у виявленні гравітаційних хвиль є те, що вони крихітні.
Вони розтягують і стискають простір лише на одну частину від 10²¹ (десяти в двадцять першому сте́пені).
Це еквівалентно визначенню відстані звідси до Альфи Центавра,
і спробі ви́міряти варіації зміни цієї відстані в межах товщини людської волосини.
Щоб зареєструвати такі крихітні коливання,
потрібно виміряти якнайбільшу можливу відстань.
Ось чому плечі інтерферометрів по 4 кілометри.
І навіть з такими розмірами гравітаційні хвилі змінюють довжину плечей максимум на 10¯¹⁸ (десять в мінус вісімнадцятому) метра,
Тож детектор повинен бути здатним
надійно вимірювати відстань в 1/10000 (одну десятитисячну) ширини протона.
Це найменше вимірювання, яке будь-коли проводилося.
Але я́к це можливо виміряти, враховуючи всі інші джере́ла вібрацій та шумі́в навколо:
землетруси, автомобільний рух та електричні што́рми.
Ну, по перше, потрібні дзерка́ла, найрівніші з усіх існуючих.
Вони важать 40 кілограмів і підвішені на кварцевих нитка́х
завто́вшки в дві волоси́ни, щоб ізолювати їх від зовнішнього впливу.
І навіть тоді, щоб зовнішні шуми́ не спотворювали результати, два детектори будують далеко один від о́дного,
в достатньо спокійних місцях, адже це дозволить відділити місцевий шум, що з'явиться лише в одній обсерваторії,
і гравітаційні хвилі, що пройдуть крізь обидві майже одночасно.
Я зараз в будівлі, у якій розташована в сто разів зменшена
копія LIGO ("ла́йго"), детектора гравітаційних хвиль.
Ось дуже важливий елемент - лазер.
Ого!
Тут багато всього́.
Вам потрібен лазер, який зможе забезпечити одну, і лише одну довжину хвилі.
- Спробуйте уявити, що якщо довжина хвилі від лазера змінюється, і ви намагаєтеся
використати інтерференцію сві́тла, щоб виміряти зміну відстані.
- Це ніколи не спрацює, тому що це ніби намагатися виміряти щось лінійкою,
яка безперервно то видовжується, то вкорочується.
- Все це обладнання, принаймні його три чверті, покликане
зробити лазер більш стабільним, і, зрештою, ми досягли
стабільності 1/10²⁰ (одна частина до десяти в двадцятому степені).
- Це одна частина на сто мільярдів мільярдів.
- Ось з чим ми працюємо.
Найкращі подібні лазери мають довжину хвилі 1064 нм (тисячу шістдесят чотири нанометри).
Це інфрачервоне світло. Але є проблема.
Як можна виміряти 10⁻¹⁸ (десять у мінус вісімнадцятому), маючи хвилю з довжиною 10⁻⁶ (десять в мінус шостому)?
- Тааак, побільше б людей ставили схожі запитання.
На цій анімації добре показаний такий зсув хвиль, але в дійсності довжина плечей
змінюється на одну трильйонну довжини хвилі.
Виміряти зсув, що дорівнює половині довжини хвилі, легко, оскільки матимемо повну інтерференцію.
- Так, від зовсім темного до максимально світлого.
То ви спостерігаєте ледь помітні зміни в яскравості?
- Так, і межа полягає в то́му, наскільки добре ми
можемо виміряти цю різницю між темним і світлим,
враховуючи той факт, що світло дискретне.
- Воно приходить дискретними порціями - фотонами.
Варіації числа фотонів, що падають на дзерка́ла в будь-який момент часу,
через квантову невизначенність, пропорційні квадратному кореню із загальної кількості фотонів.
Тобто, чим більше фотонів ми використовуємо, тим меншою стає невизначеність.
Як частка від загальної кількості.
Ось чому потужність лазера в плеча́х один мегават.
Цієї потужності достатньо, щоб забезпечити тисячу будинків, лише одним світловим променем.
- І знаєте, мільйон ват... [клацає пальцями] бум, вам навіть не відірве́ голову.
- Вона просто випарується.
З ідеальним лазером і одним мегаватом потужності,
навіть розріджений газ буде перешкодою, тому все повітря з плечей
детектора повинно бути видалене.
Знадобилося 40 днів, щоб знизити тиск до однієї трильйоної від атмосерного,
а самі труби були нагріті до високої температури, щоб видалити будь-які залишкові гази.
Викачаним повітрям можна наповнити два з половиною мільйони
футбольних м'ячів, що цей вакуум другим за
об'ємом у світі після Великого адро́нного колайдера.
А ось ще дещо. Якщо гравітаційні хвилі розтягують простір-час, то світло, яке рухається крізь простір,
так са́мо має бути розтягнуте.
Якщо все розтягується, то як дізнатися, що взагалі що-небудь розтягується?
- А й справді, звідки ми знаємо? Це замкнуте коло. Якесь безглуздя!
- Усе це фікція, покінчимо́ з цим!
- Я спрямовую лазерний пучок по цій трубі, чекаю, коли він поверне́ться,
а тоді кажу: "Ну, нічого не сталося", тому що простір розтягнувся ра́зом з довжиною світлової хвилі".
- Розтягнулося щось чи ні, - жодної різниці. Цілковите безглуздя.
- Власне, тут вся справа в часі.
- Отож, час, необхідний для то́го, щоб світло досягло́ кінця труби і повернулося назад, дуже малий.
- Але коли хвиля... гравітаційна хвиля проходить
крізь простір в трубі, то змінюється досить повільно; я вже озвучував ці коливання.
- Це повільне розтягування, лише сто разів за секунду. І справді,
коли гравітаційна хвиля проходить через простір зі світлом, воно теж розтягується.
І тут ми ще нічого не можемо виміряти.
- Але тепер, коли простір розтягнутий..., а той імпульс лазерного світла прийшов й пішов,
і більше не має значення. Але лазер продовжує випромінювати,
і вже нове світло тепер там має пройти більшу відстань, ніж попереднє.
- Таким чином, спостерігаючи за зміною результату інтерференції,
зберігаючи незмінною довжину хвилі лазера, ми можемо проводити вимірювання.
То що потрібно для виявлення гравітаційних хвиль?
Один мегават потужності для лазера,
щоб мінімізувати зава́ди; строго одна довжина хвилі,
оскільки ми намагаємось виміряти одну трильйонну цієї довжини,
безперервно замінюючи старе світло, яке було розтягнуте і стиснуте,
друга за величиною вакуумна камера з фактично нульовим тиском,
найрівніші будь-коли створені дзерка́ла, підвішені на кварцевих нитка́х,
два віддалених мі́сця для усунення шумі́в
та чотирьохкілометро́ві плечі, щоб гравітаційні хвилі
розтягнули їх всього́ лиш до однієї тисячної ширини протона.
- Знаєш, те, що ми робимо тут щодня, я би назвав
неможливим, якби ти запитав про це 20 років тому́.
І от що здивувало мене найбільше:
виявляється, єдине, що обмежує чутливість детекторів сьогодні, -
це квантова механіка. Згадайте принцип невизначеності Ге́йзенберга: у нас є дві величини́,
і ра́зом їхня невизначеність не може перевищувати деякої константи.
- На щастя для нас, ми вимірюємо лише одну величину́, і не намагаємося виміряти дві одночасно.
- Все що ми хочемо знати - наскільки це́ плече розтягнулося більше, ніж те́.
- І це ключовий момент, який більшості людей не до кінця зрозумілий.
- Ці системи побудовані таким чином,
що вони надзвичайно чутливі у вимірюванні однієї величини́, тож вся невизначеність,
пов'язана з квантовою механікою,
повністю міститься в іншій величині, яка нам байду́жа.
Я вважаю, що ми наблизилися до таких рівнів природи, що вона не хоче пускати нас далі.
Але наша винахідливість дозволяє нам взяти під контроль квантовий шум.
Це дивовижна ідея, і з нетерпінням чекаю на майбутні результати.
- Думаю, що наступним логічним кроком буде перехід від двох подій до виявлення всіх гравітаційних сигналів у Всесвіті.
- І це не фантастичні іншопланетні технології. Ми просто повинні робити це краще, ніж робимо зараз.
- Я впевнений, що це майбутнє - в межах досяжності.
