Этот эксперимент продолжается и сегодня, а начался он 10 лет назад. Тогда немецкий город Ганновер стал местом проведения Всемирной выставки Expo-2000, и параллельно с ней было решено осуществить ряд сопутствующих научно-исследовательских проектов, в том числе и этот: GEO600. Его цель состоит в обнаружении самых загадочных в мире волн - гравитационных. Их существование теоретически предсказал Альберт Эйнштейн, но подтвердить этот факт экспериментально никому до сих пор не удалось...

То ли они есть, то ли их нет...

Но что это вообще такое - гравитационные волны? Если пользоваться строго научной терминологией, то это переменное гравитационное поле, излучаемое ускоренно движущимися массами. Так же, как и электромагнитное излучение, гравитационные волны распространяются в пространстве со скоростью света.

Природу этого явления трактует разработанная Эйнштейном более 90 лет назад "Общая теория относительности", которая описывает тяготение как воздействие материи на свойства пространства и времени. Согласно этой теории, тяготение есть не что иное, как искривление пространственно-временного континуума. Представить себе искривленное пространство едва ли возможно, зато легко можно представить себе искривленную поверхность. Так, если, скажем, на растянутое резиновое полотнище опустить груз, то оно прогнется, образовав углубление, а если этот груз еще и движется, то возникнут колебания, и по полотнищу распространятся волны - подобно тому, как по воде разбегаются круги от брошенного в нее камня. Эта аналогия дает, пусть и крайне упрощенное, представление о гравитационных волнах.

Поскольку пространство, в отличие от резинового полотнища, отнюдь не эластично, а напротив, обладает очень высокой жесткостью, то заметно искривить его могут только гигантские массы. То есть в земных лабораторных условиях эффект излучения гравитационных волн чрезвычайно слаб. Но при некоторых катастрофических астрофизических явлениях - скажем, вспышке сверхновой, - энергия, уносимая гравитационным излучением, может достигать нескольких процентов от полной энергии звезды.

Едва заметный эффект длится долю секунды

Всплески, вызванные астрофизическими катастрофами в соседних галактиках, происходят в среднем раз в месяц - для физиков-экспериментаторов это вполне приемлемо. Гораздо хуже то, что длительность таких всплесков составляет от одной тысячной до одной десятитысячной доли секунды. Однако самая большая сложность связана с тем, что амплитуда относительного смещения, вызываемого гравитационной волной, лежит в пределах от десяти в минус девятнадцатой до десяти в минус двадцать первой степени метра.

Иными словами, такое смещение ничтожно мало: если сверхновая вспыхнет в нашей собственной галактике - Млечном пути, - то расстояние между Солнцем и Землей изменится лишь на диаметр одного водородного атома. И, как уже было сказано, продлится этот эффект всего несколько десятитысячных долей секунды. Облегчает задачу обнаружения гравитационных волн то, что они долговечны и стабильны. Гравитационное излучение чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом, а потому такие волны проходят сквозь материю, практически не теряя энергии.

Установка GEO600 в окрестностях Ганновера представляет собой небольшое здание из сборных конструкций с отходящими от него двумя длинными туннелями из гофрированной жести. Внутри здания была смонтирована высокочувствительная измерительная аппаратура - прежде всего, лазерные интерферометры.

Раз нельзя увеличить путь луча, повысим его качество!

В самом общем виде схема выглядит так: испускаемый лазером луч с помощью специального устройства разделяется на два луча, расходящихся под прямым углом друг к другу. Каждый из лучей направляется внутрь вакуумной трубы длиной 600 метров, в конце которой он отражается и возвращается в исходную точку. Накладываясь здесь друг на друга, лучи создают устойчивый специфический узор - интерференционную картину, которая сохраняется неизменной до тех пор, пока не меняются расстояния, преодолеваемые лучами. Если же Земля окажется на пути гравитационной волны, длина одной из вакуумных труб на мгновение чуть-чуть уменьшится, другой - чуть-чуть увеличится, и это сразу же отразится на интерференционной картине.

Исследователи в США и Италии стремятся повысить чувствительность своих детекторов, заставляя лучи лазерных интерферометров преодолевать путь, измеряемый километрами. Ганноверская установка рассчитана на 600 метров, это предел, поэтому немецкие физики делают ставку на повышение качества самого лазерного луча. "То, что мы немножко меньше, имеет и преимущество, - поясняет Хартмут Гроте (Hartmut Grote), научный сотрудник Института гравитационной физики Общества имени Макса Планка в Ганновере. - Мы можем действовать более гибко, быстрее принимать решения, касающиеся изменений используемой аппаратуры".

Неклассический свет повышает точность измерений

Главная инновация, предназначенная для проекта GEO600, - это устройство на основе специального кристалла, призванное снизить уровень оптического шума лазера. Сами создатели устройства используют в этой связи такие понятия как "сжатый свет" и "сжатый вакуум" - речь идет об одной из форм так называемого неклассического света, подчиняющегося законам квантовой оптики. В отличие от обычного, сжатый свет может содержать только четное количество фотонов, что позволяет существенно повысить точность измерений.

"Поначалу вообще было неясно, как встроить сюда этот самый сжатый вакуум, как его, так сказать, подключить, - говорит Хартмут Гроте. - Нам понадобилось два года на то, чтобы решить эту задачу. Зато теперь мы уверены, что новое устройство уже вскоре можно будет интегрировать в измерительную аппаратуру, хотя раньше мы полагали, что оно найдет практическое применение лишь лет через 10-15, в гравитационных детекторах третьего поколения".

Если эксперименты немецких физиков завершатся успешно, эту технологию возьмут на вооружение и их американские и итальянские коллеги. Детекторы второго поколения с лазерами на сжатом свете предполагается установить в ближайшие 5 лет.

Тогда, возможно, и будут, наконец, обнаружены эти самые неуловимые гравитационные волны. Или же окажется - это тоже не исключено, хоть и менее вероятно, - что ни GEO600, ни другие детекторы в принципе не могут их обнаружить, поскольку их просто не существует. С недавних пор в среде физиков-теоретиков активно обсуждается "голографическая модель Вселенной" - новая картина мира, не согласующаяся со стандартной моделью и теорией Эйнштейна. Возможно, новые детекторы помогут опровергнуть - или подтвердить - эту экзотическую теорию.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева