LIGO: уникальный детектор и генератор гравитационных волн
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — это не только самый чувствительный детектор искажений в ткани пространства-времени. Команда физиков рассчитывает, что этот прибор также сможет стать самым лучшим в мире генератором гравитационных волн. Хотя эти волны слишком слабы, чтобы быть непосредственно зафиксированными, исследователи говорят, что, теоретически, их можно использовать, чтобы попытаться обнаружить необычные квантово-механические эффекты среди крупных объектов.
Гравитационные волны буквально растягивают само пространство. В 1915 году Альберт Эйнштейн объяснил, что сила тяжести возникает, когда массивные объекты (к примеру, планета Земля) деформируют пространство-время (растягивают его, как натянутое одеяло, если бросить на него тяжелый шар). Эйнштейн также предсказал, что некоторые конфигурации массы будут излучать гравитационные волны. 1000 физиков, работающих с LIGO, дважды обнаруживала такие волны, исходящие из пары массивных черных дыр, вращающихся относительно друг друга по спирали.
LIGO опирается на чувствительные детекторы, расположенные в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. Каждый детектор состоит из пары перекрещенных, 4-километровых зеркал. Для обнаружения искривления пространства, ученые используют лазерное излучение: световые волны отскакивают от обоих зеркал (вес каждого составляет порядка 40 кг), после чего специалисты с помощью интерферометра замеряют то, как лазерные лучи взаимодействуют друг с другом. Гравитационные волны настолько слабы, что для обнаружения одной физики должны измерить длины обоих потоков с точностью до 1/10 000 ширины протона. Впечатляет, правда?
Однако тот факт, что LIGO настолько чувствителен к растяжению пространства-времени, означает, что он также чрезвычайно эффективен при генерации гравитационных искажений. Чтобы доказать это, Белинда Панг, физик Калифорнийского технологического института (Caltech) в Пасадене, представившая результаты работы на встрече Американского Физического общества, вместе со своими коллегами разработала квантово-механическую модель того, как растяжение пространства влияет на отражение лазерных лучей.
Для того, чтобы прибор был таким чувствительным, физики, работающие с LIGO, должны обеспечить устойчивость и стабильность положения пиков и контр-пиков каждой световой волны. Но квантовая неопределенность в этом случае говорит о том, чтобы размер волны (амплитуда) не будут столь четко заданной. Неизбежные колебания амплитуды создают крошечные колебания, и движение зеркал вызывает «крошечную рябь в пространстве-времени», говорит Панг. Конечно, эти гравитационные волны так малы, что вы и сами смогли бы создать более внушительное воздействие, попросту вращая шары для боулинга, но прибор делает это с оптимальной эффективностью.
По мнению Фань Чжан, физика из Пекинского педагогического университета, в этом нет ничего удивительного. «Фундаментальное правило детектора заключается в том, что если у вас есть связь с объектом или явлением, то она всегда будет направленной в обе стороны», поясняет ученый. Эти волны все еще могут быть использованы для обнаружения квантовых эффектов в среде макроскопических объектов, уверена Панг. Квантовая механика, как известно, утверждает, что исчезающе маленькие объекты (к примеру, электроны) буквально могут присутствовать в двух местах одновременно. Многие физики подозревают, что можно перевести и крупные объекты (к примеру, зеркало LIGO) в такое же состояние.
Подобное состояние в любом случае не продлится долго, так как для его стабильного поддержания объект надо изолировать от воздействия с внешним миром. Тем не менее, можно представить себе скорость, при которой состояние «декогерирования» удастся частично погасить. Некоторые теоретики предполагают, что гравитация играет особую роль в подавлении квантовых состояний в среде макроскопических объектов. Испытания, впрочем, будут очень сложными: физикам придется подавить и другие источники декогеренции, так что вряд ли это произойдет в ближайшем будущем. Впрочем, если когда-нибудь подобная операция и осуществится, то LIGO определенно сыграет в ней ключевую роль.