Направляемые к фотодетектору волны интерферируют деструктивно, поэтому полная суммарная волна исчезает, что означает, что детектор вообще не видит никакого света. Если гравитационная волна или какая-либо другая сила немного удлиняет одно плечо и укорачивает другое, то волны из одного плеча приходят на расщепитель луча с небольшой задержкой по отношению к волнам из другого плеча, и наложение имеет следующий вид:
К фотодетектору К лазеру
Деструктивная интерференция в направлении фотодетектора теперь уже не идеальная, и фотодетектор получает немного света. Количество света, которое он получает, пропорционально разнице длин L^~ Lv которая, в свою очередь, пропорциональна гравитационно-волновому сигналу.
Твердотельный детектор использует для слежения за колебаниями, вызванными волнами, электрический датчик (например, сжимаемый болванкой пьезокристалл). Интерферометрический детектор для слежения за вызванным волной движением своих масс использует интерференцию световых волн.
Болванка откликается в унисон только на гравитационные волны в узком частотном диапазоне, и поэтому для декодирования симфонии волн требуется ксилофон из многих болванок. Массы интерферометра болтаются свободно и откликаются на волны всех частот, больших чем примерно одно колебание в секунду88 89, и поэтому интерферометр имеет широкую полосу: чтобы расшифровать всю симфонию достаточно трехчетырех детекторов.
Сделав плечи интерферометров в тысячи раз длиннее, чем болванки (несколько километров вместо единиц метров), можно сделать приливные силы волн в тысячу раз большими, тем самым улучшив в тысячу раз чувствительность инструмента". В отличие от этого длину болванки нельзя сильно увеличить. Болванка длиной в 1 километр будет иметь собственную частоту меньше, чем одно колебание в секунду, и поэтому не сможет работать на частотах, на которых находятся, как мы считаем, наиболее интересные источники. Более того, чтобы работать на таких низких частотах, для защиты твердотельной антенны от колебаний земной поверхности и флуктуаций гравитации земной атмосферы пришлось бы запустить такую болванку в космос, что было бы бессмысленно дорогим удовольствием.
Поскольку интерферометр в тысячу раз длиннее твердотельной антенны, он также в тысячу раз менее чувствителен к «пинку», производимому процессом измерения. Эта нечувствительность означает, что интерферометрам не нужно избегать с помощью сложных в конструировании квантово-неразрушающих датчиков90.
Если у интерферометров столько больших преимуществ перед твердотельными детекторами (гораздо большая полоса частот и гораздо лучшая чувствительность), почему же Брагинский, Вебер и другие не делали интерферометры? Когда я спросил об этом в середине 1970-х
Брагинского, он ответил, что твердотельные детекторы просты, а интерферометры пугающе сложны. Маленькая сплоченная команда, такая как у него была в Москве, имела некоторый шанс сделать хорошо работающую твердотельную антенну и открыть гравитационные волны. Однако для разработки, отладки и успешной работы интерферометрического детектора требовалась гигантская команда и огромное количество денег. И даже при наличии такой гигантской команды и при таких огромных вложениях Брагинский сомневался в конечном успехе создания столь сложного детектора.
Десятью годами позже, когда накопилось достаточно свидетельств тому, что твердотельные детекторы не смогут достичь чувствительности 10-21, Брагинский посетил Калтех и был потрясен прогрессом, достигнутым с интерферометром командой Дривера. Он пришел к выводу, что, в конечном счете, с помощью интерферометров можно будет добиться успеха. Но огромная команда и большие денежные затраты были не для него, поэтому, вернувшись в Москву, он перенаправил большую часть работы своей команды на другие направления, далекие от детектирования гравитационных волн91. (В других лабораториях в мире твердотельные антенны продолжали строить, и это очень хорошо, поскольку они дешевы по сравнению с интерферометрами, пока еще более чувствительны92 и в долговременной перспективе могут сыграть свою роль на более высоких частотах.)
•к к к
В чем состоит сложность интерферометрических детекторов? Ведь основная идея, описанная на рис. 10.6, выглядит довольно просто.
На самом деле рис. 10.6 является чрезмерным упрощением, поскольку игнорирует огромное количество возникающих препятствий. Трюки, к которым приходится прибегать, для того чтобы их обойти, делают интерферометр чрезвычайно сложным инструментом. Например, лазерный луч должен быть нацелен точно в нужном направлении, иметь точно нужную форму и частоту, чтобы идеально согласовываться с интерферометром, а его мощность и частота не должны флуктуировать. После того как луч расщепляется на два, эти два луча должны бегать в плечах интерферометра не просто туда и обратно, как на рис. 10.6, а многократно, чтобы увеличить чувствительность к движениям масс, а после этих многократных отражений они должны точно встретиться опять на делителе. За каждой массой надо постоянно следить, чтобы ее зеркала были все время направлены в нужном направлении и не отклонялись из-за колебаний пола, и это нужно делать так, чтобы не замаскировать действие гравитационных волн. Чтобы достичь идеальной работы этих и многих-многих других составляющих, требуется постоянное одновременное слежение за многими разными частями интерферометра и его лазерными лучами и постоянное приложение сил обратной связи, поддерживающих идеальный режим.
Некоторое представление о сложности интерферометра можно получить по фотографии (рис. 10.7) 40-метрового прототипа интерферометрического детектора, который построили в Калтехе Дривер и его команда — прототипа, который сам по себе гораздо проще, чем полномасштабный многокилометровый интерферометр, требуемый для достижения успеха.
к к к
В начале 1980-х четыре команды физиков-экспериментаторов трудились над разработкой инструментария и техники интерферометрических детекторов: команда Дривера в Калтехе, команда, которую он основал в Глазго (теперь руководимая Джимом Хафом), команда Райнера Вайса в MIT и команда, основанная Гансом Биллингом в Институте Макса Планка под Мюнхеном, в Германии. Это были маленькие и сплоченные команды, работающие более или менее независимо93, исповедующие свои собственные подходы к конструированию интерферометрических детекторов. В каждой команде отдельные ученые имели свободу в разработке и воплощении по собственному усмотрению новых идей, координация была очень незначительна. Это как раз тот тип работы, который нравится таким креативным ученым, как Брагинский, и та культура, в которой счастливее всего чувствуют себя такие одиночки, как я. Но это не та культура, которая
10.7. 40-метровый прототип интерферометрического гравитационно-волнового детектора, построенный в Калтехе (около 1989 г.). Стол впереди и передняя, заключенная в сетку вакуумная камера содержат лазеры и компоненты для подготовки лазерного луча к попаданию в интерферометр. Центральная масса также располагается во второй, закрытой сеткой вакуумной камере, над которой можно заметить свешивающуюся веревку от блока. Крайние массы находятся на удалении 40 метров в конце двух коридоров. Два луча плечей интерферометра проходят внутри толстых труб, которые тянутся на всю длину коридоров. [Предоставлено проектом LIGO, Калифорнийский технологический институт]
требовалась для разработки, создания, отладки и работы таких больших и сложных научных инструментов, какими являются многокилометровые интерферометры, требующиеся для успеха.
Для детальной разработки многих сложных частей такого интерферометра, для того чтобы соединить их все и добиться правильной совместной работы, чтобы держать под контролем затраты проекта и добиться его завершения в разумные сроки, нужна была совсем другая культура — культура плотной координации работы подгрупп в рамках каждой команды, с фокусированием каждой команды на четко опре-^ деленных задачах, с единым руководителем, принимающим решения о том, что и кому нужно делать в первую очередь.
Путь от независимости и свободы к тесной координации является болезненным. Таким путем, сопровождаемым в процессе мучительными стонами, движется биологическое сообщество, расшифровывающее геном. И мы, гравитационно-волновые физики, следуем по этому пути с не меньшей болью и страданиями с 1984 г. Я, однако, уверен, что волнения, радость и научная отдача от детектирования гравитаци-
онных волн и дешифровки их симфоний когда-нибудь сотрут из нашей памяти все пережитые страдания и боль.