Все относительно: за что вручат Нобелевку по физике

Нобелевской премии по физике за 2017 год удостоятся американцы Барри Бэриш, Райнер Вайсс и Кип Торн «за решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн». Возмущения пространства-времени от слияния пары черных дыр впервые и сравнительно недавно, 14 сентября 2015 года, обнаружила одноименная коллаборация LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory). Решение Нобелевского комитета нельзя назвать неожиданным.

Волны порождены двумя черными дырами (в 29 и 36 раз тяжелее Солнца) в последние доли секунды перед их слиянием в более массивный вращающийся гравитационный объект (в 62 раза тяжелее Солнца). За доли секунды примерно три солнечные массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Слияние черных дыр произошло 1,3 миллиарда лет назад (столько времени гравитационное возмущение распространялось до Земли).

Иначе говоря, это распространяющаяся по пространству-времени рябь. Если, скажем, шарик на капроне колеблется, то капрон тоже начнет колебаться. От шарика в центре капроновой поверхности пойдут волны. Так и с пространством-временем. Массивное тело вызывает его искривление. В частности, рядом с тяжелым объектом искривляется световой луч.

В середине 1970-х годов Вайсс (Массачусетский технологический институт) провел анализ возможных источников фонового шума, которые способны исказить результаты измерений, а также предложил необходимую для этого конструкцию лазерного интерферометра. Вайсс и Торн (Калифорнийский технологический институт) — главные инициаторы LIGO, Бэриш (Калифорнийский технологический институт) был главным исследователем LIGO с 1994 по 2005 годы, в период строительства и первоначальной эксплуатации обсерватории.

Торн — один из крупнейших в мире специалистов по классической теории гравитации. Известен работами по общей теории относительности, в частности, исследованиям проходимости червоточин — гипотетических туннелей в пространстве-времени. Именно он был научным консультантом научно-фантастического блокбастера «Интерстеллар».

Сумма денежного вознаграждения в 2017 году составит 9 миллионов шведских крон (1,12 миллиона долларов) — на всех лауреатов премии по физике. Вайсс получит половину, остальное разделят поровну Бэриш и Торн. Размер премии, которая обычно составляет около одного миллиона долларов (например, 8 миллионов шведских крон или около 953 тысяч долларов в 2016 году), увеличился в результате укрепления финансового положения фонда.

Обсерватория LIGO представляет собой гравитационно-волновую антенну, образованную двумя идентичными детекторами, расположенными в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон) в США на расстоянии более трех тысяч километров друг от друга.

Детекторы LIGO обнаружили относительные колебания величиною десять в минус 19 степени метров (это примерно равно отношению диаметра атома к диаметру яблока) пар разнесенных на четыре километра пробных масс.

Стоимость LIGO оценивается в 370 миллионов долларов. Обсерватория финансируется Национальным научным фондом США.

Исследования в LIGO осуществляются в рамках одноименной коллаборации более чем тысячи ученых из США и 14 других стран, включая Россию, которая представлена двумя группами из Московского государственного университета имени Михаила Ломоносова и Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород).

Первым сигнал от гравитационных волн увидел итальянский ученый из Падуи Марко Драго, работающий в Институте гравитационной физики Общества Макса Планка в Ганновере, когда на его рабочую почту 14 сентября 2015 года, через три минуты после получения в 11:50:45 утра по местному времени подозрительного сигнала от LIGO, пришло уведомление.

Ученый находился в этот момент в своем институтском кабинете. Он оповестил своего коллегу из Ганновера, Эндрю Лундгрена. Затем рассказал об открытии своей семье и разослал сообщение членам коллаборации LIGO. Официально выяснять природу необычного сигнала начали 18 сентября и завершили работу к 5 октября.

Во-первых, физики впервые напрямую зарегистрировали гравитационные волны. Ранее это удавалось сделать лишь косвенным путем, наблюдая за потерей энергии пульсарами. Во-вторых, снова подтвердилась общая теория относительности, сформулированная в 1915 году Альбертом Эйнштейном. В-третьих, ученые еще раз убедились в существовании черных дыр, эксперименты физиков отлично объясняются современными теоретическими моделями.

В-четвертых, физики продемонстрировали астрономам возможности исследования космоса при помощи гравитации. До сих пор основную информацию о далеких объектах ученые получали в электромагнитных диапазонах (оптическом, рентгеновском, инфракрасном и ультрафиолетовом). Основная инициатива создания LIGO исходила от физиков — астрономы предпочитали продолжать исследования космоса консервативными методами.

Последняя зафиксирована 14 августа 2017 года. Возмущение порождено слиянием пары черных дыр, одна из которых в 30,5 раза, а другая — в 25,3 раза тяжелее Солнца. Событие произошло на расстоянии 1,8 миллиарда световых лет, однако точные координаты источника неизвестны.

Если первые три волны обнаружены исключительно LIGO и Advanced LIGO (обновленной после первого открытия LIGO), то последний сигнал зафиксирован при участии расположенной в Италии гравитационно-волновой обсерватории Virgo, чьи ученые также принимали участие в первом открытии волн пространства-времени.

Андрей Борисов