Поймали «рябь» на троих: 6 фактов о Нобелевской премии по физике-2017
Во вторник, 3 октября, Шведская королевская академия наук объявила лауреатов Нобелевской премии по физике за 2017 год. Награду получили трое американских ученых: Райнер Вайс, Барри Бэриш и Кип Торн. Половину премии (4,5 млн крон, или $553 тыс.) получит Вайс, оставшееся разделят между собой Бэриш и Торн.
Как гласит объявление Нобелевского комитета, премия присуждена «за решающий вклад в развитие детектора LIGO и наблюдение гравитационных волн». РБК собрал шесть главных фактов об этой работе.
1. Команда физиков
LIGO расшифровывается как «лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория». Это комплекс из двух обсерваторий, располагающихся на расстоянии 3002 км друг от друга в штатах Вашингтон и Луизиана. LIGO работает с 2002 года, но проект ее создания разрабатывался на протяжении нескольких десятков лет. Когда Нобелевский комитет связался по телефону с профессором Вайсом, тот отметил, что присуждение премии — это «признание труда около тысячи ученых за работу на протяжении, страшно сказать, более 40 лет». Еще в конце 1960-х годов Вайс и Торн независимо друг от друга пришли к выводу о необходимости постройки обсерватории по улавливанию гравитационных волн. Вайс занимался разработкой проекта в Массачусетском технологическом институте (MIT), а Торн — в Калифорнийском технологическом институте (Калтех).
Роль Бэриша, также преподавателя Калтеха, заключается в том, что он объединил множество проектов в единый LIGO и взял на себя управленческие функции. В сравнении с другими сооснователями LIGO Торн является не только одним из главных мировых экспертов по общей теории относительности (и, в частности, по теории гравитации), но и одним из самых известных в мире популяризаторов науки. Он стал одним из вдохновителей создания фильма «Интерстеллар», в ходе съемок которого также выступил как научный консультант и исполнительный продюсер картины. Таким образом, Торн — первый голливудский продюсер, получивший Нобелевскую премию.
2. Российское участие
Будучи преимущественно американским проектом, LIGO объединяет несколько десятков научных групп, в которых работают около 1 тыс. ученых со всего мира. В проекте участвуют и две российские группы — одна под руководством московского профессора Валерия Митрофанова, другую возглавляет нижегородский ученый Александр Сергеев.
Сергеев, который с 27 сентября возглавляет Российскую академию наук, рассказал РБК, что основу открытия еще в 1962 году заложил советский ученый Владислав Пустовойт, предложивший схему использования лазера для фиксирования гравитационных волн. Тем не менее открытие 2015 года является, по словам Сергеева, «триумфом человеческой мысли и триумфом оборудования».
Профессор МГУ Митрофанов, другой участник LIGO, подчеркнул, что именно три нобелевских лауреата внесли наибольший вклад в создание проекта. «Зарегистрировать такой слабый сигнал — мечта у физиков. Благодаря усилиям всего коллектива LIGO и лауреатов удалось в конце концов это сделать», — заявил он в разговоре с РБК.
3. Суть открытия
Задача LIGO — подтвердить на практике существование гравитационных волн, о которых Альберт Эйнштейн рассказал в своей общей теории относительности в 1916 году. Гравитационные волны — это колебания пространства-времени (физики также говорят «рябь на ткани пространства-времени»), производимые движением во Вселенной массивных тел с переменным ускорением. Каждая из двух обсерваторий LIGO оборудована детектором гравитационных волн, помещенным в вакуум и способным фиксировать колебания размером в тысячи раз меньше размера атомного ядра, говорится в сообщении Нобелевского комитета. Расстояние 3002 км между объектами световая волна преодолевает по прямой за 10 мс. Поскольку предполагается, что гравитационная волна также распространяется со скоростью света, изменение значения времени прохождения волны через одну обсерваторию и другую призвано помочь найти направление движения, а значит, и источник волны.
LIGO зафиксировала гравитационные волны утром 14 сентября 2015 года. Несколько месяцев эксперты LIGO совместно с коллегами из франко-итальянского центра Virgo анализировали полученную информацию. В феврале 2016 года ученые представили результаты исследования: событие 14 сентября действительно было первым прямым наблюдением гравитационных волн. Приборы LIGO, гласило заявление, зафиксировали волну от слияния двух черных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет от Земли.
4. Новый инструмент проникновения во Вселенную
Обнаружение гравитационных волн в сообщении Нобелевского комитета названо «революцией в астрофизике», которая предоставляет принципиально новый способ изучения космоса. «Целое сокровище открытий ждет того, кто сумеет поймать эти волны и прочитать сокрытое в них сообщение», — говорится в пресс-релизе.
За прошедшие два года физики LIGO и Virgo еще три раза зафиксировали движение гравитационных волн. Последнее наблюдение состоялось 14 августа 2017 года, официально было объявлено об этом на прошлой неделе. Пресс-секретарь LIGO Дэвид Шумейкер отметил, что новый раунд совместного наблюдения экспертов LIGO и Virgo намечен на осень 2018 года и на нем подобные открытия «ожидаются раз в неделю или чаще».
Как отметила профессор Шейла Роуэн из Университета Глазго, совместная работа LIGO и Virgo позволила «расширить объем данных, которые мы получим в будущем и которые помогут нам лучше понять Вселенную».
Участник LIGO профессор Митрофанов рассказал РБК, что обнаружение гравитационных волн открывает новую область науки. «Раньше мы смотрели на то, что происходит в далеком космосе, в основном в электромагнитном диапазоне. А сейчас добавился такой канал информации, как гравитационные волны, и у него гораздо больше возможностей. Они идут от первых моментов после Большого взрыва, когда образовалась наша Вселенная», — сказал он.
О потенциальных возможностях человечества после открытия гравитационных волн говорил и сам Торн в своей книге «Интерстеллар: наука за кадром». Она была опубликована в 2015 году, вскоре после выхода блокбастера «Интерстеллар» и незадолго до открытия LIGO.
5. Наука и кино
В сферу научных интересов Торна входит поиск возможного практического применения этих знаний. Например, речь идет о перемещении во времени и пространстве. С 1980-х годов Торн изучает вероятность существования так называемых червоточин, или «кротовых нор», — своеобразных «туннелей» в пространстве, которые позволяют мгновенно перемещаться из одной его точки в другую. О вероятном существовании таких «туннелей» писал еще Эйнштейн, объясняя этим ряд положений своей теории относительности. Торн, развивающий эту теорию, является одним из авторов гипотезы «проходимых кротовых нор». Торн уверяет, что на текущем этапе технологического развития межзвездные полеты невозможны. «С технологиями XXI века мы неспособны достичь других звездных систем быстрее, чем за тысячи лет пути. Наша единственная призрачная надежда на межзвездный перелет — это червоточина либо иная предельная форма искривления пространства-времени», — пишет он в последней книге. Торн надеется, что прорыв в изучении гравитационных волн поможет приблизиться к решению этого вопроса.
Имеющиеся у него теоретические и практические наработки Торн визуализировал в фильме «Интерстеллар», который вышел на экраны осенью 2014 года. «Мне выпал счастливый случай участвовать в его создании с самого начала, помогая [режиссеру Кристоферу] Нолану и его коллегам вплести в ткань повествования компоненты истинной науки», — писал Торн.
По сути, Торн выступил как создатель идеи самого фильма, а в ходе работы над картиной попробовал смоделировать имеющиеся гравитационные теории. Начиная в 2005 году работу над фильмом, Торн поставил режиссеру Стивену Спилбергу, который изначально собирался взяться за картину, два условия. События фильма не должны противоречить законам физики, а используемые в сценарии физические теории должны быть научно подкреплены, то есть приняты хотя бы частью научного сообщества.
6. Друзья-соперники
Для Торна награждение Нобелевской премией стало по меньшей мере девятой научной наградой за полтора года с момента публикации сообщения об открытии LIGO. Тем не менее изучением гравитации он занимается последние полвека.
Почти с самого начала своей исследовательской деятельности Торн дружит с другим известным популяризатором науки и исследователем Вселенной Стивеном Хокингом. Взгляды двух ученых на космические явления иногда совпадали, иногда расходились. Друзья-соперники регулярно заключают публичные пари по научным вопросам. Последний такой спор, начавшийся в 1991 году (для знатоков — Торн допускал существование голых сингулярностей, Хокинг — нет) закончился в 1997 году победой Кипа Торна. Он получил от оппонента £100 и некий предмет одежды с надписью, в которой Стивен признавал поражение (других деталей в своем рассказе об этой истории Кип Торн не приводит).
Теперь соперничество двух светил мировой науки становится еще драматичнее: у Стивена Хокинга Нобелевской премии пока нет. Впрочем, вслед за успехом «Интерстеллара», получившего «Оскар» за лучшие визуальные эффекты (к которым Торн имел прямое отношение), Торн заявил, что готовит новый научно-фантастический фильм — и на этот раз совместно с Хокингом. Об этом он рассказал в ноябре 2016 года в лекции на физфаке МГУ.
Лауреаты Нобелевской премии по физике-2017
Райнер Вайс родился в 1932 году в Берлине. После прихода нацистов к власти в Германии родители Вайса переехали вначале в Чехословакию, затем в США. В 1955 году получил диплом бакалавра в MIT, затем окончил докторантуру в Принстонском университете, с 1964 года преподает в MIT. Является автором десятков научных работ по астрофизике, гравитации и использованию лазеров.
Кип Торн родился в 1940 году в штате Юта в мормонской семье. Сейчас, правда, ученый называет себя атеистом. В 1962 году окончил бакалавриат в Калтехе, затем защитил диссертацию по геометродинамике (сведение физических объектов к геометрическим) в Принстонском университете. С 1967 года преподает теоретическую физику в Калтехе. Автор нескольких научных теорий и работ по астрофизике.
Барри Бариш родился в Небраске в 1936 году. Вскоре после его рождения семья переехала в Калифорнию, где Бариш поступил в Университет Беркли, а с 1963 года работал в Калтехе. В сферу его научных интересов входит экспериментальная физика высокой энергии. С 1980-х годов он интересуется созданием оборудования по улавливанию магнитных и прочих волн, а в 1994 году выступил вдохновителем создания объединенного проекта LIGO.