Абсурдність виявлення гравітаційних хвиль

1,3 (один і три десятих) мільярда років тому у далекій-далекій галактиці злилися 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 спостережуваному 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 й стискали простір таким чином, що це вплинуло на два світлові пучки в перпендикулярних трубах, дозволивши людству вперше підтвердити існування гравітаційних хвиль.
Це досить проста історія, але я дізнався під час візиту до професора Рана Адхікарі у КалТеху, що це відкриття приховує в собі абсурдність того, що 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 у двадцять першому степені).
Це еквівалентно визначенню відстані звідси до Альфи Центавра, і спробі виміряти 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 як це можливо виміряти, враховуючи всі інші джерела вібрацій та шумів навколо: землетруси, автомобільний рух та електричні шторми.
Ну, по перше, потрібні дзеркала, найрівніші з усіх існуючих.
Вони важать 40 кілограмів і підвішені на кварцевих нитках завтовшки у дві волосини, щоб ізолювати їх від зовнішнього впливу.
І навіть тоді, щоб зовнішні шуми не спотворювали результати, два детектори будують далеко один від одного, 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 ("лайго"), детектора гравітаційних хвиль.
Ось дуже важливий елемент — лазер.
Ого! Тут багато всього.
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 світла, 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 у 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 тому, 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 дзеркала в будь-який момент часу, через квантову невизначеність, 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 плечах один мегават.
Цієї потужності достатньо, щоб забезпечити тисячу будинків, лише одним світловим променем.
- І знаєте, мільйон ватів... [клацає пальцями] бум, вам навіть не відірве 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 трильйонної від атмосферного, 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 адронного колайдера.
А ось ще дещо. Якщо гравітаційні хвилі розтягують простір-час, то світло, яке рухається крізь простір, так само 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, покінчимо з цим! - Я спрямовую лазерний пучок по цій трубі, чекаю, коли він повернеться, а тоді кажу: "Ну, нічого не сталося", тому що простір розтягнувся разом з довжиною світлової хвилі".
- Розтягнулося щось чи ні, — жодної різниці. Цілковите безглуздя.
- Власне, тут вся справа в часі.
- Отож, час, необхідний для того, щоб світло досягло кінця труби й 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 завади; 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 дзеркала, підвішені на кварцевих нитках, два віддалених місця для усунення шумів та чотирьохкілометрові плечі, щоб гравітаційні хвилі розтягнули їх всього лиш до однієї тисячної ширини протона.
- Знаєш, те, що ми робимо тут щодня, я б назвав неможливим, якби ти запитав про це 20 років тому.
І от що здивувало мене найбільше: виявляється, єдине, що обмежує чутливість детекторів сьогодні, — це квантова механіка. Згадайте принцип невизначеності Гейзенберга: у нас є дві величини, і разом їхня невизначеність не може перевищувати деякої константи.
- На щастя для нас, ми вимірюємо лише одну величину, і не намагаємося виміряти дві одночасно.
- Все що ми хочемо знати — наскільки це плече розтягнулося більше, ніж те.
- І це ключовий момент, який більшості людей не до кінця зрозумілий.
- Ці системи побудовані таким чином, що вони надзвичайно чутливі у вимірюванні однієї величини, тож вся невизначеність, пов'язана з квантовою механікою, повністю міститься в іншій величині, яка нам байдужа.
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.