Цивилизация
Февраль 2016 года. Весь мир обсуждает первую в истории регистрацию гравитационных волн от слияния черных дыр. Спустя полтора года новое открытие – получен гравитационный всплеск от слияния нейтронных звезд,
и следом заслуженное признание — Нобелевская премия.
Эти открытия были сделаны на лазерном интерферометре, способном фиксировать колебания величиной меньше одной десятитысячной размера протона. Достичь такой точности было бы невозможно без монолитных подвесов кварцевых зеркал, которые предложили и исследовали ученые МГУ, и без теории сверхточных измерений, заложенной ими полвека назад.
Гравитационные волны – феномен, существование которого вытекает из Общей теории относительности Эйнштейна. Она утверждает, что любая масса во вселенной, двигающаяся с переменным ускорением,
распространяет вокруг себя волны кривизны пространства, заставляя тела менять свои размеры.
Однако в первой половине XX века ученые всего мира сходились во мнении, что уровень развития технологий в то время не позволял осуществить их прямое детектирование. Было ясно, что в лабораторных условиях источник гравитационных волн не создать, и оставалось лишь надеяться, что достаточно сильным источником может служить некий далекий космический катаклизм. Но что нужно, чтобы поймать такой сигнал? Всего-то — взять какой-либо предмет, желательно крупный, и попытаться измерить изменения его длины.
Проблема в том, что гравитационные волны, даже порожденные космическими катастрофами, на Земле вызывают чрезвычайно слабый отклик и должны приводить к едва уловимым изменениям размеров физических тел.
В начале 1960-х годов первым попробовал поймать такой сигнал американский физик Джозеф Вебер. В качестве детектора, или как говорят антенны, он использовал полуторатонную алюминиевую болванку и обклеил ее пьезоэлектрическими кристаллами, чтобы при дрожании антенны на их концах образовывался электрический заряд.
Подключив детекторы в систему регистрации, можно было засекать колебания антенны амплитудой всего в одну десятую размера протона (10 -16 м). И Вебер даже получил какие-то сигналы.
После этого аналогичные эксперименты стали проводить ученые в разных странах.
В это же время поисками гравитационных волн заинтересовался сотрудник кафедры физики колебаний Физического факультета МГУ Владимир Брагинский. Заинтересовался, поскольку до этого он как раз занимался измерением малых сил и смещений в экспериментах с пробными телами. Возник вопрос – как измерять едва уловимые механические смещения?
Если Вебер сделал ставку на пьезодатчики, то Брагинский выбрал емкостные методы, в которых минимальные смещения заставляют двигаться пластины конденсатора и менять частоту колебательного контура. Идея была выбрана верно, поскольку на сегодня частота является величиной, которую физики научились измерять максимально точно.
Брагинский понимал, что измерять сколь угодно малые смещения пробных тел мешает огромное число факторов. Нельзя было надеяться поймать гравитационные волны, не умея отделять сигнал от шума – сейсмики, собственных колебаний тела, электрических эффектов, шумов в измерительной аппаратуре и т.д. Было ясно, что если от большинства шумов в измерениях можно избавиться, то останется главный, фундаментальный – тепловой шум, который присутствует и в механике, и в электричестве.
А он, как говорит соответствующая теорема, зависит от диссипации – то есть способности тела рассеивать свою энергию: чем больше в системе потери, тем больше тепловые шумы.
Пример объекта с низкой диссипацией – колокол или камертон, которые подолгу могут звенеть за счет медленного рассеяния энергии.
Сначала Брагинский изготовил две алюминиевые болванки, их отличием от веберовских были особые «рожки», отфрезерованные на поверхности. На концы этих рожек передавались колебания всей болванки, поэтому там и крепились емкостные датчики, а сами болванки помещались в вакуумные камеры. Чтобы избежать случайных воздействий, болванок было сделано две – одна стояла на Физфаке, вторая — в Институте физики Земли.
Схема совпадений позволяла бы поймать гравитационную волну, зарегистрированную только одновременно двумя антеннами. Чувствительность установки была аналогична веберовской, были получены некие всплески, однако совпадений между двумя болванками не было.
Ученые в Стенфорде смогли увеличить чувствительность аналогичных экспериментов на два порядка, заморозив болванки почти до абсолютного нуля, и тоже ничего не обнаружили. Несмотря на то, что выводы Вебера о регистрации гравволн позднее были опровергнуты, его опыты заставили ученых по всему миру экспериментировать и усомниться в том, что поймать их невозможно.
Звенящие болванки
Брагинский предложил искать новые, еще дольше «звенящие» материалы для гравитационных антенн, и решил отказаться от сплавов алюминия. «Сразу стало понятно, монокристаллы диэлектриков лучше, чем металлы», — вспоминает ученик Брагинского профессор Валерий Митрофанов, руководитель московской группы коллаборации LIGO.
Брагинский показал, что в твердом теле есть фундаментальные шумы, от которых избавиться невозможно – так называемые фононы, коллективные колебания атомов.
В отличие от западных коллег, экспериментаторам МГУ было сложнее охлаждать большие массивные болванки в вакууме – не было соответствующих установок.
«Говорят, что когда у человека много возможностей, он не ищет изощренных путей. Поэтому в начале 1970-х годов ставка была сделана на хорошие кристаллы типа сапфира (Al2O3) и кремния», — рассказывает Митрофанов.
К тому времени в Институте кристаллографии умели выращивать хорошие кристаллы, которые и пригодились физикам. Получив долго «звенящие» антенны, ученые столкнулись с новыми проблемами. Так, выяснилось, что в них источниками диссипации являются неровности на поверхности, поэтому сапфировые болванки приходилось тщательно полировать алмазной пастой. Подвесив сапфировую болванку на нити, ученые экспериментально доказали, что добротность маятника, как колебательной системы,
определяется не только самой антенной, но и подвесом – нитью, креплением нити к опоре, и даже самой опорой.
Так, они экспериментально установили, что пленка жира, помещенная между болванкой и нитью, заметно улучшает добротность. Лишь решив все эти проблемы, удалось довести добротность антенн до 5*10 9, что на четыре порядка выше, чем у болванок Вебера. Поэтому выбор новых материалов был оправдан, тем более, что и охлаждать кристалл размером 30 сантиметров до температуры жидкого гелия не было проблемой. Такие установки уже могли сохранять собственные колебания, то есть «звенеть», по несколько часов.
Проект LIGO
Примерно в это время, в начале 1980-х годов началась история международного проекта LIGO. Еще в 1963 году, как только были изобретены лазеры, советские физики Герценштейн и Пустовойт опубликовали в журнале ЖЭТФ статью с идеей использования оптического интерферометра Майкельсона для детектирования гравитационных волн. «Сложно сказать, читал ли нобелевский лауреат Райнер Вайсс эту статью, или нет, но часто такие идеи приходят ученым в голову независимо друг от друга», — рассуждает Митрофанов.
Как бы то ни было, идея интерферометра позднее овладела учеными, несмотря на то, что часть экспериментаторов продолжала попытки поймать волны при помощи твердотельных, «веберовских» болванок.
В схеме с интерферометром уже не нужны были громоздкие болванки – антенной служили зеркала интерферометра, изменение расстояния между которыми фиксировал лазерный луч. Реализация идеи зависела от общего технического прогресса — нужны были мощные стабильные лазеры, хорошие, не теряющие свет зеркала. И главное – к этим зеркалам должны применяться те же самые требования высокой добротности, то есть низкого теплового шума.
В начале 1980-х годов «Калтех» и MIT подали проект на осуществление проекта большого интерферометра в США. Еще в 1967 году в своей статье Брагинский показал, что мы не можем измерять любые физические величины сколь угодно точно, поскольку квантовая механика этого не позволяет, и ввел понятие стандартного квантового предела измерений.
Это предел связан не с телом, добротность которого может быть, хоть бесконечной, а именно с процессом измерения физических величин.
В 1990-м годам у Брагинского уже сложились тесные отношения с Кипом Торном, одним из основателей LIGO, в стенах МГУ он продолжал работать над улучшением добротности, но уже подвешенных зеркал, выполненных на основе плавленного кварца, также имеющего высокую добротность.
В тот момент российские ученые не могли рассчитывать на свой проект интерферометра, поэтому они предложили использовать накопленный опыт высокоточных квантовых измерений.
Опыты на Физфаке показали, что даже кварцевая болванка, подвешенная на металлической нити, теряет добротность из-за трения в нити и месте ее крепления. Именно так были устроены приемники первоначального Initial LIGO, на которых в начале 2000-х годов так и не удалось поймать гравитационные волны.
Брагинский считал, что этот путь не имеет перспективы из-за низкой добротности зеркал, виной чему были их подвесы. У него появилась идея сделать монолитный подвес – вытянуть кварцевую нить и сделать подвес с маятником одним целым. Так в опытах с килограммовым маятником, помещенным в вакуум, была достигнута небывалая добротность –
время релаксации или «звона» кварцевого зеркала составляло порядка пяти лет!
В обыденной жизни сложно представить, что, ударив по какому-то предмету, мы заставим его звучать или сохранять колебания так долго. Однако и это был не предел. «Идеальная» кварцевая нить крепилась к неидеальному подвесу, а тот – к неидеальному потолку, который в свою очередь также становился частью маятника, уменьшая его добротность. Ученые понимали, что нить надо было крепить к чему-то очень массивному и монолитному.
И тут на помощь пришла сталинская архитектура. Физики знали, что по центру Физического факультета проходит капитальная стена шириной 2,5 метра.
«Задача была прикрепить вакуумную камеру к этой стене, чтобы маятник качал весь Физический факультет»,
— поясняет Митрофанов. Такая нестандартная камера была сделана по специальным чертежам, и задумка ученых удалась: они избавились от лишних потерь в маятнике, и выяснили, какую истинную добротность имеет монолитный кварцевый подвес.
Услышали звон
Собранная установка позволяла измерять добротность разных зеркал, для этого на Физфак приезжали зарубежные коллеги, в том числе ученые из Глазго, которые научились искусственно сращивать кварцевые материалы. Оригинальность установки впервые позволила измерять добротность не всей системы, а именно маятника и подвеса из кварцевой нити.
схема подвеса зеркал в детекторах LIGO
LIGOНовые монолитные подвесы, придуманные в МГУ, стали главным усовершенствованием детекторов LIGO, они позволили достичь точности измерения 10 (-19) метра,
благодаря чему в сентябре 2015 года и были впервые зарегистрированы гравитационные волны.
Вклад московской группы LIGO можно разделить на четыре части. Во-первых, это идея монолитного кварцевого подвеса и создание установки по определению его добротности. Во-вторых — разработка методов достижения стандартного квантового предела измерений.
В третьих, ученые рассчитали, какие шумы возникают в 40 слоях напыления, которые присутствуют в современных зеркалах LIGО. Наконец, теоретики предсказали, что при высокой мощности лазера в LIGO может наступить неприятный момент, когда из-за совпадения частот колебаний энергия, запасенная в оптическом резонаторе, может передаваться подвешенным зеркалам.
На этапе Initial LIGO ничего подобного замечено не было, и только когда заработал Advanced LIGO и мощность лазера выросла до 100 кВт, зеркала стали раскачиваться, и до сих пор это представляет проблему. Впрочем, пути ее решения были также намечены московской группой LIGO.
В настоящее время на факультете работают над созданием новых пробных масс для детекторов следующего поколения LIGO. Планируется, что в будущем в LIGO будут использоваться не кварцевые зеркала, а кремниевые, которые будут охлаждаться до низких температур. Для этого свойства охлажденного кремния исследуются в вакуумных установках.
одно из 40-килограммовых зеркал детектора LIGO
LIGOВсе эти годы большое участие в экспериментах и рутинных теоретических расчетах принимали и продолжают принимать студенты и аспиранты факультета. Многое делалается на энтузиазме, на котором сейчас все сложнее успевать за мощным технологическим прогрессом.
Сам Владимир Брагинский, посвятивший всю жизнь поиску гравитационных волн, дожил до их открытия, а через два месяца после объявления об этом его не стало. Реакция на открытие волн была в стиле Владимира Борисовича.
Как настоящий физик, он спросил – «А все ли они проверили?».
В октябре 2017 года физикам Райнеру Вайссу, Бэрришу Барри и Кипу Торну была присуждена Нобелевская премия по физике.