Миллиард лет тому назад (ну, плюс-минус) в далекой-далекой галактике две черные дыры исполняли космический балетный номер па-де-де. Они кружили одна вокруг другой, постепенно сближаясь под воздействием взаимного тяготения, пока не столкнулись и не слились воедино. В результате такого столкновения произошел колоссальный выброс энергии, в эквиваленте втрое превышающей массу нашего солнца. Сближение, столкновение и слияние двух черных дыр привело в беспорядок окружающий пространственно-временной континуум и отправило во всех направлениях со скоростью света мощные гравитационные волны.
К тому моменту, когда эти волны достигли нашей Земли (а было это утром 14 сентября 2015 года), некогда мощный рев космических масштабов превратился в едва различимое хныканье. Тем не менее, две огромные машины длиной в несколько километров (детекторы Лазерно-интерферометрической обсерватории гравитационных волн ЛИОГВ), расположенные в штатах Луизиана и Вашингтон, зафиксировали легко узнаваемые следы этих волн. Во вторник три давних руководителя проекта ЛИОГВ — Райнер Вайсс (Rainer Weiss), Бэрри Бэриш (Barry Barish) и Кип Торн (Kip Thorne) — получили за это достижение Нобелевскую премию в области физики.
Это открытие назревало уже давно, как по шкале человеческого времени, так и по астрономическим часам. Доктор Вайсс, доктор Торн и доктор Бэриш с коллегами работали над своим проектом на протяжении нескольких десятилетий. К сделанному в 2015 году открытию были причастны тысячи человек, работающие на пяти континентах. Данный проект стал примером стратегического видения перспективы учеными и политиками, которая удалена от нас почти так же, как и эти столкнувшиеся черные дыры.
В конце 1960-х годов доктор Вайсс вел в Массачусетском технологическом институте курс физики на старших курсах. За несколько лет до этого физик Джозеф Вебер (Joseph Weber) сделал заявление о том, что он обнаружил гравитационные волны при помощи прибора с антеннами из алюминиевых цилиндров. Однако Вебер не сумел убедить скептиков. Доктор Вайсс дал своим студентам задание на дом: найти другой способ обнаружения волн. (Студенты, возьмите себе на заметку: иногда домашняя работа становится предвестницей Нобелевской премии.) А что если попытаться обнаружить гравитационные волны, тщательно изучая малейшие изменения в интерференции лазерных лучей, которые идут разными путями, а потом снова соединяются в детекторе?
По идее гравитационные волны должны растягиваться и сжиматься в пространстве, перемещаясь через него. Доктор Вайсс сделал предположение, что такое возмущение должно изменить длину пробега одного из лазерных лучей, из-за чего два луча потеряют синхронность к тому времени, когда они достигнут детектора, и по разнице рассинхронизации можно будет определить закономерности интерференции.
Идея была дерзкая и революционная. И это еще мягко сказано. Чтобы уловить гравитационные волны ожидаемой амплитуды, используя метод интерференции, физики должны были обнаружить разницу в расстоянии, которая составляла одну часть из тысячи миллиардов миллиардов. Это все равно что измерить расстояние между Землей и Солнцем в масштабах одного-единственного атома, контролируя при этом все прочие источники вибрации и погрешности, которые могут подавить столь слабый сигнал.
Неудивительно, что доктор Торн, ставший в этом году одним из лауреатов Нобелевской премии, изложил эту проблему в качестве домашнего задания в своем изданном в 1973 году учебнике. Он привел студентов к выводу о том, что интерферометрия как метод обнаружения гравитационных волн никуда не годится. (Ладно, господа студенты, иногда домашнюю работу можно и не делать.) Но изучив эту проблему глубже, доктор Торн стал одним из самых твердых сторонников интерферометрического метода.
Убедить доктора Торна оказалось легче, чем получить финансирование и привлечь к этой работе студентов. Национальный научный фонд в 1972 году отверг первое предложение доктора Вайсса. В 1974 году он сделал новое предложение и получил небольшое финансирование на проектную проработку. В 1978 году доктор Вайсс в своей заявке на финансирование отметил: «Постепенно я пришел к осознанию того, что исследование такого рода лучше всего проводить силами не испытывающих никаких сомнений и по возможности глупых ученых, а также молодых аспирантов с авантюристическими наклонностями».
Масштабы проекта постепенно разрастались. Огромные руки интерферометра теперь должны были простираться на несколько километров, а не метров, и оснащаться самой современной оптикой и электроникой. Параллельно разрастался бюджет и научный коллектив. Для осуществления этого сложного проекта теперь требовались не только глубокие знания физики, но и политическое мастерство. В какой-то момент попытки построить один из этих больших детекторов в штате Мэн потерпели неудачу из-за политического соперничества и закулисных сделок аппаратчиков в конгрессе. Это научило ученых тому, что интерференция существует не только в области лазерных лучей.
Это удивительно, но Национальный научный фонд в 1992 году утвердил финансирование ЛИОГВ. Это был самый дорогостоящий проект фонда, каким он остается по сей день. Время было выбрано весьма подходящее: после распада Советского Союза в конце 1991 года физики мгновенно уяснили, что доводы времен холодной войны в пользу проведения научных исследований в конгрессе уже не действуют.
Примерно в это же время тактика балансирования на грани фола в вопросах бюджета в США вступила в новый этап. Теперь при планировании долгосрочных проектов надо было учитывать часто возникающие угрозы приостановки деятельности государственных органов (иногда они осуществлялись). Это осложняло ситуацию с составлением бюджетов, поскольку главное внимание теперь уделялось краткосрочным проектам, обещающим быстрые результаты. Если бы такой проект как ЛИОГВ был предложен сегодня, трудно себе представить, что он получил бы одобрение.
Однако ЛИОГВ демонстрирует определенные преимущества долгосрочного подхода. Этот проект стал примером тесной связки между наукой и образованием, которая выходит далеко за рамки домашних заданий. Многие студенты и аспиранты из коллектива ЛИОГВ стали соавторами исторической статьи об обнаруженных волнах. С 1992 года в рамках этого проекта только в США было написано почти 600 диссертаций, которые подготовили ученые из 100 университетов и 37 штатов. Научные исследования вышли далеко за рамки физики, и охватывают сейчас такие сферы как инженерно-конструкторские работы и разработка программного обеспечения.
ЛИОГВ показывает, чего мы можем добиться, заглядывая за горизонт, и не зацикливаясь на годовых бюджетах и отчетах. Создавая высокочувствительные машины, готовя умных и преданных науке молодых ученых и инженеров, мы можем с невиданной точностью проверить наши фундаментальные представления о природе. Такие усилия часто приводят к совершенствованию технологий, используемых в повседневной жизни: навигационная система GPS была создана в рамках работы по проверке общей теории относительности Эйнштейна. Правда, такие неожиданные открытия трудно предсказать. Но при наличии терпения, упорства и удачи мы можем заглянуть в самые сокровенные глубины мироздания.
Дэвид Кайзер — профессор, преподаватель физики и истории науки в Массачусетском технологическом институте. Совместно с У. Патриком Греем (W. Patrick McCray) он редактировал книгу «Научная рутина: знания, инновации и американская контркультура» (Groovy Science: Knowledge, Innovation, and the American Counterculture).
