Почему Нобелевская премия обошла российского ученого
Владислав Иванович, именно ваше имя назвал глава нашей академии, комментируя два года назад присуждение американским ученым Нобеля по физике. Как вы оказались, говоря образно, в сфере притяжения гравитационных волн? Владислав Пустовойт: В 60-х годах я был аспирантом Виталия Лазаревича Гинзбурга, которого называли последним научным энциклопедистом. Его интересовали самые разные проблемы, в том числе и гравитация. Напомню: впервые о гравитационных волнах написал в 1916 году Альберт Эйнштейн, они "вылезли" из его уравнения по общей теории относительности. Он отправил статью в журнал, а потом забрал, решив, что допустил ошибку. Но его коллеги внимательно все изучили и уверили ученого, что никакой ошибки нет. Эйнштейн снова отправил статью, и она была опубликована. Как объяснить, что такое гравитационные волны? Владислав Пустовойт: Вселенная имеет метрику: это пространство, которое определяется координатами, и время. Своеобразная метрическая сетка пронизывает всю Вселенную. И если в эту сетку попадает любое массивное тело, то она как бы пригибается. И вот тогда излучаются гравитационные волны. А что конкретно излучается? Переносчиком электромагнитного поля являются фотоны, а гравитационного? Владислав Пустовойт: Это частицы гравитоны, которые, как и фотоны, не имеют массы и движутся со скоростью света. Обнаружив эти волны в уравнениях Эйнштейна, ученые начали на них охоту. Но для успеха понадобилось 100 лет. Почему? Сам великий физик, по сути, ответил на этот вопрос. Он рассчитал, что если раскрутить металлический метр до скорости, при которой металл разорвется, то мощность излучения гравитационного поля составит всего 10 в минус 37 степени Вт. Этот мизер невозможно зафиксировать никакими приборами. И тогда поняли, что волны надо ловить в космосе? Владислав Пустовойт: Совершенно верно. Поняли, что мощным источником гравитационных волн может быть две массы, которые вращаются вокруг друг друга и взаимодействуют, теряя энергию. Чем больше масса тел, тем больше эта энергия. И вот впервые наш академик Владимир Александрович Фок посчитал и высказал идею, что наибольшая энергия будет от космологических катастроф. Например, при столкновении звезд либо их взрывах. Так было задано направление поиска, и эта идея, как говорится, овладела массами. Лидером оказался американец Джозеф Вебер. Он предложил, казалось бы, самый простой вариант. Надо взять большую болванку, наклеить на нее пьезодатчики. Когда появятся гравитационные волны, она начнет вибрировать и колебаться. И вскоре Вебер объявил, что поймал волну. Это стало мировой сенсацией, многие бросились повторять эксперимент, но никому не удалось получить аналогичный результат. Однако он твердо стоял на своем, отстаивал свою правоту. А мы вместе с физиком Михаилом Герценштейном в 1962 году показали, что Вебер ошибался. Можно создать принципиально новые системы навигации, которые позволят вообще отказаться от орбитальных спутников Вебер, ты не прав! Как вы оказались в тандеме с Герценштейном? Владислав Пустовойт: Здесь важнейшую роль сыграл мой учитель Гинзбург. По сути, он втянул меня в эту тематику, предложив посчитать, как будет излучать гравитационные волны частица, которая движется по кругу в магнитном поле. Задача оказалось очень сложной. У меня ничего не получалось, я отчаялся, пошел к нему. Он спрашивает: "Сколько бумаги у вас уходит в урну? У меня 80 процентов. У вас, надеюсь, не меньше. Работайте". Стал работать и, наконец, нашел ответ, но он оказался неутешительным, гравитационные волны были очень слабые. Когда сообщил об этом Гинзбургу, он говорит: "Приходите на семинар Ландау". После окончания заседания мы с ним подходим к Дау, и Гинзбург его спрашивает: "Как думаешь, гравитационное поле от вращающейся частицы "перешибет" электромагнитное?" - "Да", - ответил Дау. И тут Гинзбург делает паузу и говорит: "Дау, ты не прав. Вот молодой человек это показал". Дау задумался: "Ну хорошо". Гинзбургу было важно, что сам Дау ошибся. У них были свои отношения, они подкалывали друг друга, хотя, конечно, Дау был почти непререкаемым авторитетом. Так вот тогда аналогичными исследованиями занимался Михаил Герценштейн, и Гинзбург предложил нам опубликовать совместную статью. Герценштейн мне говорит, мол, давай напишем, что Вебер неправ. Но Гинзбург запрещал молодым ученым разгромные статьи: "Станете известными, тогда и громите авторитетов". И мы схитрили, решили и Вебера раскритиковать, и написать что-то положительное. Так в 1962 году появилась наша статья, где указали на ошибки Вебера, а потом показали, что есть другой путь охоты за гравитационными волнами - с помощью интерферометра. В чем заключалась эта идея? Владислав Пустовойт: Луч света расщепляем на два, оба направляем на зеркала, которые стоят под углом 90 градусов. Лучи отражаются и вновь сходятся. В зависимости от расстояния до зеркал получается разная интерференционная картина. Если расстояния равные, то на экране черное поле. А если одно из зеркал чуть подвинуть, то увидите "зебру" - чередование черных и светлых полос. На этом принципе можно ловить гравитационные волны. Если их нет, экран темный, появились - возникает зебра. Все просто. Как все гениальное, надо только первым додуматься. Про интерференцию в школьном учебнике написано, но вот так ее применить... Владислав Пустовойт: А дальше еще интересней. В 1962 году Гинзбург на конференции, где был и Вебер, с трибуны говорит, что тот неправ. Что делает Вебер? Он публикует статью, где отвечает на нашу критику и ссылается на нашу работу. Спасибо Веберу… Владислав Пустовойт: Конечно, спасибо. Но я просмотрел статьи западных коллег за многие годы. Там множество ссылок на самые разные статьи Вебера, однако никто не ссылается на эту, где он говорит о нашей работе. Но когда в 2016 году американские физики объявили, что открыли гравитационные волны, один журналист спросил: "А вы знаете про работу Пустовойта и Герценштейна?", то будущий лауреат Нобелевской премии Кип Торн ответил: "Да, знаем". И когда я 12 июня получил Государственную премию, Торн прислал письмо с поздравлением. Он, в частности, написал: "Ваша работа 1962 года была прародителям этого направлении, к которому Вайсс пришел спустя много лет". Кстати, Райнер Вайсс - это еще один Нобелевский лауреат. Услышать писк на фоне грохота На основе российской идеи американцы в конце 90-х годов создали установку LIGO, которая и поймала гравитационные волны. Они появились при слиянии черных дыр. Одна массой в 36 масс нашего Солнца, другая - в 29 масс. Но почему LIGO молчала около 20 лет? Дыры не сливались? Владислав Пустовойт: В космосе постоянно что-то грандиозное происходит, но расстояния настолько гигантские - миллиарды световых лет, что приходящие к нам гравитационные волны очень слабые. Чтобы их зафиксировать, потребовалось фантастическая чувствительность прибора - 10 в минус 19 метра. Это десятитысячная диаметра протона. Именно на столько сместились зеркала под действием гравитации. А ведь этот "писк" надо было выделить на фоне грохота, который производит на Земле самая разная техника. Разработали сложнейшую математику, которая смогла отделить сигнал от шума. Так вот американцы за 200 миллионов долларов построили интерферометр LIGO. Это труба длиной 4 километра, из которой выкачан воздух, и где луч лазера отражается от зеркал. Свой вклад в конструкцию LIGO внесли и наши ученые. Чтобы повысить чувствительность, физики МГУ Владимир Брагинский и Валерий Митрофанов предложили заменить стальную нить, на которой висят зеркала, на кварц. Зачем? На кварцевой нити зеркало дольше колеблется, что существенно повышает отношение сигнал/шум и в конечном счете чувствительность. И американцы отказались от стали и перешли на кварц. А Ефим Хазанов из Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде решил другую проблему. Он разработал вентиль, который позволяет удерживать в установке закачанную в нее световую энергию. И американцы решили воспользоваться этой идеей и технологией. Так что в конечном счете именно Ефим Хазанов изготовил и поставил этот "вентиль" на LIGO . За эти разработки Митрофанов и Хазанов также удостоены Государственной премии РФ. К сожалению, Брагинский ушел из жизни. Как и Михаил Герценштейн. Открытие гравитационных волн - самое значимое достижение науки XXI века? Владислав Пустовойт: Наука получила новое окно во Вселенную. Впервые экспериментально подтверждено существование черных дыр и нейтронных звезд, их удалось реально "пощупать". Зафиксировать в эксперименте. Уверен, это только начало эпохи гравитационных волн. Скажем, чем мощнее лазер, который направляет свет в зеркала, тем точнее измерения. Но проблема в том, что даже при мощности лазера в 10 кВт зеркало начинает гореть. Ученые уже работают над зеркалами, которые смогут выдерживать сотни киловатт, а японцы даже говорят о мегаватте. Реален вариант - вывести прибор в космос. Там расстояние между зеркалами можно увеличить до миллионов километров, что во много раз повысит чувствительность. Ведь там нет вибрации, шума. Не нужен вакуум. Прорыв Навигация без ГЛОНАСС В мире уже активно работают, чтобы шире прорубить новое окно во Вселенную. А что у нас? Владислав Пустовойт: Пока речи о создании аналога LIGO, несколько я знаю, не идет. Но есть очень интересный вариант применения разработанных инструментальных и физических подходов, которые были созданы в процессе создания уникальных установок для детектирования гравитационных волн. Об этом я даже говорил президенту Путину на вручении Государственной премии. На основе уже созданной технологии детектирования гравитационных волн можно создать принципиально новые системы навигации. Они позволят вообще отказаться от орбитальных спутников. Дело в том, что сила, с которой какое-то тело притягивается к Земле, меняется с высотой. Представьте, что вы с помощью интерферометра, аналогичного LIGO, конечно, более простого и дешевого, создаете подробную карту гравитационных потенциалов для разных точек Земли. И теперь, имея такую карту и гравиметр, вы можете определить точку, где находитесь. Конечно, чтобы построить такую карту, нужна огромная работа. Но игра стоит свеч. Можно отказаться от ГЛОНАСС и GPS, не нужно отправлять на орбиты спутники. Американцы уже этим занимаются. Начали такие работы и мы во Всероссийском НИИ физико-технических радиотехнических измерений, в котором сегодня лучшая в России экспериментальная база. Есть два лазерных интерферометра с длиной плеч 60 метров, создается квантовый гравиметр на основе холодных атомов. Такая "начальная база" превосходит ту, с чего начинали американцы при создании LIGO.
