"Блюз черных дыр и другие мелодии космоса"
В 2017 году Нобелевскую премию по физике с формулировкой "за решающий вклад в детектор LIGO и открытие гравитационных волн" получили Барри Бэриш, Райнер Вайсс и Кип Торн. Обнаружение гравитационных волн от слияния двух черных дыр позволило ученым убедиться в справедливости общей теории относительности Эйнштейна и получить доказательства существования черных дыр звездных масс. В книге "Блюз черных дыр и другие мелодии космоса" (издательство "Corpus"), переведенной на русский язык Андреем Ростовцевым, астрофизик и популяризатор науки Жанна Левин рассказывает историю охоты за гравитационными волнами, общаясь с учеными, которые работали над созданием крупнейших лазерных интерферометров. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, посвященным критике проекта LIGO и оптимизму астронома Кипа Торна, который был уверен в существовании астрофизических источников гравитационных волн.
Пари
Стивен Хокинг хорошо известен тем, что не выиграл еще ни одного из многочисленных заключенных им научных пари* . Однажды он поспорил с физиком-теоретиком Джоном Прескиллом из Калтеха: Хокинг утверждал, будто информация, попавшая в черную дыру, исчезает в ней безвозвратно, будто ее невозможно будет извлечь даже с помощью открытого им самим "излучения Хокинга". В дальнейшем он признал свое поражение в этом споре, хотя многие — в том числе, наверное, и победитель Прескилл — сочли бы такое признание преждевременным. Кип тоже участвовал в этом пари, поддерживая Хокинга, но своего поражения так и не признал.
*Во время написания книги Стивен Хокинг был еще жив. Он умер в марте 2018 г. — Прим. ред
В другой раз Хокинг поспорил, что бозон Хиггса, который является недостающей частицей в нашей картине материального мира, не будет обнаружен. Известный физик-экспериментатор в области элементарных частиц Леон Ледерман называл бозон Хиггса "проклятой частицей", с чем никак не мог согласиться издатель его книги, которая в конце концов получила название "Частица Бога". К сожалению, Хокинг снова проиграл. Бозон Хиггса был найден, его обнаружение было отмечено Нобелевской премией, и это научное достижение стало одновременно и разочарованием (неужели в мире нет других частиц?), и триумфом (мы сделали это!). В результате Хокинг заплатил сто долларов своему коллеге Гордону Кейну.
Также Хокинг заключил еще одно, самое свое странное пари — пари об инопланетных убийцах, или о роботах, или еще о ком-то в том же роде; вряд ли в ближайшем будущем тут будет определен победитель, так что это пари имеет шанс стать для Хокинга самым удачным из всех.
Если увлечься критикой Хокинга как заведомо плохого спорщика — удачливого провокатора, но неудачливого получателя прибыли, — то можно упустить некое любопытное обстоятельство, ставшее предметом одного из его самых знаменитых пари. Хокинг побился об заклад с Кипом, что объект Лебедь Х-1 не содержит черной дыры.
Известный галактический рентгеновский источник Лебедь Х-1 является самым ярким из своих собратьев, видимых с Земли (хотя в абсолютных единицах это далеко не самый яркий рентгеновский источник во Вселенной). Они заключили пари в 1974 году, через десять лет после обнаружения источника Х-лучей в созвездии Лебедя. К тому времени Хокинг уже давно и серьезно занимался физикой черных дыр и прославился разработкой теории об их "испарении". Иногда, забавы ради, Стивен подстраховывал свои ставки. Письменно зафиксированные условия пари начинались со следующих слов: "Стивен Хокинг, сделавший большой вклад в развитие общей теории относительности и в теорию черных дыр, желающий застраховать свою ставку, с одной стороны, и Кип Торн, любящий рисковать и не желающий страховать свою ставку…" В 1990 году Стивен со свитой атаковал пустой кабинет Кипа, чтобы признать свой проигрыш (хозяин кабинета был в это время в Советском Союзе). В офисе было оставлено долговое обязательство с отпечатком пальца Стивена. После того как Хокинг, как и было условлено, за свой счет подписал Кипа на порножурнал, жена последнего, придерживающаяся либеральных взглядов, сильно возмутилась. По крайней мере, так гласит легенда. “Я вовсе не была возмущена, — возражает Кэроли Джойс Уинстайн, супруга Кипа. — Моей первой реакцией стало лишь удивление… просто я думала, что женское движение успело уже приучить людей быть более чувствительными к такого рода вещам. Но я явно ошибалась. Для прессы такой подход оказался слишком сложным, и мне пришлось вернуться к стереотипному "жену эта история возмутила"”. Короче говоря, Кэроли, женщина отнюдь не чопорная, относится к этому эпизоду с юмором.
Кип куда более успешный спорщик, чем его друг. Он утверждает, что ему удалось выиграть все те пари, в которых не шла речь о точных датах. Пари "с датой" он однажды проиграл известному астрофизику Джерри Острайкеру, который, кстати, был одним из соавторов создания теории рентгеновского излучения источника Лебедь X-1.
Пока Робби Фогт боролся в Конгрессе за получение финансирования, Кип Торн сражался на научном фронте. Джерри Острайкер присутствовал на вдохновенном выступлении Кипа в Принстоне в 1980-е годы. Джерри не захотел портить доклад Кипа неудобным вопросом, который его тогда беспокоил: "Но откуда взялись все эти цифры?" Цифры относились к источникам гравитационных волн, достаточно мощным, чтобы быть обнаруженными с помощью установки LIGO. Острайкер не сомневался, что гравитационные волны генерируются астрофизическими системами. Он сомневался в том, что они будут достаточно мощными (или что их источники будут достаточно многочисленными) для того, чтобы оправдать оптимизм Кипа.
Обвинения в излишнем оптимизме Кип слышал и раньше. Он терпеливо опровергал их, используя ссылки на научные статьи, документы и опубликованные графики. "Существует известный верхний предел, — демонстрирует мне Кип изображение в статье, опубликованной им в 1980 году, — который отвечает на вопрос: “Насколько мощными могут быть волны, чтобы не нарушать наши представления о природе гравитации или космологии нашей Вселенной?”. Этот предел действительно соответствует очень мощному сигналу! Но я никогда не утверждал, что он будет соответствовать реальным гравитационным волнам". В своей работе 1980-го года Кип пишет: "Однако, согласно самым новейшим моделям Вселенной, ожидается, что даже самый мощный реальный сигнал окажется значительно слабее, чем уровень верхнего предела…" И хотя некоторые из этих моделей были уже пересмотрены, существует понимание того, что реальный сигнал находится в зоне чувствительности современных детекторов. (В 1978 году на одной из конференций популярностью пользовались футболки с надписью на груди "Бюст 10–21".)
Джерри Острайкер и астрофизик Джон Бакал, также из Принстона, были, вероятно, самыми яростными критиками проекта LIGO. Кипу, убежденному стороннику LIGO (они, пожалуй, даже могли бы назвать его пропагандистом), предстояло склонить на свою сторону и коллег-ученых, и членов Конгресса, которые не готовы были поддержать столь обширный и долгосрочный научный проект без предоставления им определенных гарантий. Кипу надлежало привести надежные научные аргументы, доказывающие существование астрофизических источников, которые с высокой вероятностью могли быть обнаружены на установке LIGO. Что-то LIGO услышит. Вероятно. Почти наверняка. Но даже сейчас Кип не может гарантировать это на сто процентов.
Сегодня прежние предубеждения, царившие в научном сообществе, отброшены и реальное существование некоторых источников гравитационных волн больше не оспаривается. Этими надежными и безотказными в плане регистрации с помощью детектора LIGO источниками являются компактные двойные звездные системы. Мы знаем, что они существуют, хотя насколько часто они встречаются во Вселенной, нам пока неизвестно. Определение "компактный" относится к погасшим, сколлапсировавшим звездам: белым карликам, нейтронным звездам и черным дырам. Они компактны — их отличает присутствие огромной массы в очень малом объеме. И они погасли — они больше не светят так ярко, как раньше (если вообще как то светят), потому что в их недрах больше не осталось термоядерного топлива. Когда то они были крупнее и активнее — тогда, когда в их более плотных ядрах протекали термоядерные реакции, превращая легкие элементы в более тяжелые. В конце своего жизненного цикла они сжались — или сначала взорвались, а затем сжались.
Когда Рай впервые задумался о LIGO, существование надежных источников гравитационных волн находилось под большим вопросом. Черные дыры не были еще признаны всеми в качестве реальных астрофизических объектов, хотя любой физик и тогда согласился бы с правильностью математического решения уравнения Эйнштейна. Эйнштейн сам признал математическую корректность уравнений после того, как Карл Шварцшильд ** послал ему (прямо из окопов Первой мировой) письмо, надеясь на его одобрение. Однако Эйнштейн считал, что природа защищает нас от появления черных дыр. Как и многие другие в то время, он полагал, что материя не поддается бесконечному сжатию, что существуют некие силы, способные воспрепятствовать желанию гравитации раздавить атомы материи до неузнаваемого состояния.
**Карл Шварцшильд (1873–1916) — немецкий физик, астроном, один из основоположников теоретической астрофизики. Его имя получило открытое им первое точное решение уравнений Эйнштейна, предсказывающее существование черных дыр. — Прим. ред.
Прошло двадцать лет с той поры, как Уилер подарил черным дырам их имя, и многоуважаемые астрофизики были уже по горло сыты теоретическими выкладками. Теперь они ожидали куда большего: эмпирических доказательств. Но даже когда такие доказательства накапливались, наблюдениям всегда находилось альтернативное объяснение, иное, чем существование черной дыры. Альтернативные объяснения становились все более искусственными (возможно, облако газа устроено таким образом, что данные искажаются, и прочие нелепые фантазии). "Это нарушало действие принципа бритвы Оккама, — говорит Рай. — Эти объяснения были настолько сложными и необоснованными, что… — И он пренебрежительно машет рукой. — Но я не мог просить денег в МТИ для поиска черных дыр, если более уважаемые ученые факультета были уверены, что черные дыры не существуют".
Однако постепенно, шаг за шагом в сообществе астрофизиков нарастала уверенность в существовании компактных объектов во Вселенной. Открытие пульсаров убедило многих ученых в наличии нейтронных звезд. Открытие пульсара в Крабовидной туманности, оставшейся от яркой вспышки сверхновой, склонило общественное мнение к тому, что нейтронные звезды являются конечным состоянием гравитационного коллапса — по крайней мере, в случае некоторых звезд. Яркий рентгеновский источник Лебедь Х-1 указывал на существование черных дыр. Решающим аргументом стал пульсар Халса — Тейлора, косвенно продемонстрировавший потери энергии на образование гравитационных волн. По мере того как все больше ученых убеждалось в том, что звезды заканчивают свой эволюционный путь в качестве компактных объектов, крепла также уверенность в существовании источников гравитационных волн. Оставалось ответить на вопрос: "Сколько их?"