1.3. Гравитон

1.3.1. Неуловимые гравитоны

Гравитация, по заключению ученых, – это огромное белое пятно в физике.

Гравитон – гипотетическая элементарная частица – предполагаемый переносчик гравитационного взаимодействия в рамках квантовой теории. Предполагается, что гравитон не будет обладать электрическим зарядом и его спин будет равен 2. Почему вопросы поставлены в будущем времени? Все потому, что данная частица до сего времени не обнаружена.

Какие только эксперименты не проводила наука в поисках неуловимых гравитонов. Первый приемник гравитационного излучения был построен в 1960-х гг. в США профессором физики Мэрилендского университета Джозефом Вебером [3]. Детектор представлял собой сплошной алюминиевый цилиндр длиной 1,5 м, диаметром 0,6 м и массой 1,5 т. (Сейчас этот массивный цилиндр находится в Смитсоновском музее в Вашингтоне.)

Цилиндр подвешивался горизонтально на специальной нити в раме из стальных блоков, встроенных в вакуумную камеру, окруженный акустическими фильтрами. Сам цилиндр был облеплен пьезоэлектрическими датчиками, регистрирующими всякое изменение геометрических размеров с точностью до 10^—14 см. Два таких цилиндра (детектора) были разнесены на расстоянии 1000 км друг от друга и установлены в специальных лабораториях. Регистрационная система обоих детекторов синхронизировалась, фиксировались только те сигналы, которые совпадали по фронту с точностью до 0,2 с. В конце 1969 г. Дж. Вебер сделал сенсационное заявление. Он объявил, что обнаружил гравитационные волны, пришедшие на Землю из глубин Космоса. По его сообщению, наблюдались совпадения на детекторах до 100 случаев в год, которые можно было интерпретировать как всплески гравитационных волн.

В 1970-х гг. были созданы аналогичные детекторы гравитационного излучения в разных странах. Однако не было однозначных сообщений о регистрации гравитационных волн, наблюдаемых Вебером, и поэтому результаты, полученные им, считаются недоказанными.

В последующие годы использовались гравитационные антенны второго поколения, у которых пятитонные алюминиевые цилиндры охлаждались до температуры 2 К. Точность таких детекторов достигала 2∙10^—17 см.

В России подобные методы регистрации гравитационных волн разрабатывались группой ученых МГУ под руководством профессора В. В. Брагинского. Чувствительность детекторов достигала 5·10^—18 см!

В последние годы для улавливания гравитационных волн используются искусственные спутники Земли с установкой на них лазерных интерферометров. Лазеры фиксируют малейшие изменения расстояний между спутниками, отождествляемые как воздействие гравитационных волн. Существует проект космического гравитационного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna – лазерно-интерферометрическая космическая антенна), однако никаких колебаний спутников, связанных с гравитационными волнами, обнаружено не было.

В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных лабораторий. В некоторых странах созданы специальные подземные лаборатории для улавливания частиц типа «нейтрино», которым пытаются приписать функции переносчика гравитационного взаимодействия.

Почему тела притягиваются друг к другу? В свое время Альберт Эйнштейн объяснил этот феномен, как искривление пространства-времени, созданное гравитирующими телами. С тех пор ученые всего мира хотят проверить, действительно ли пространство и время могут искривляться? И если да, то по каким законам это происходит?

1.3.2. LIGO

В США в начале XXI в. построены два гигантских наземных интерферометра LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) для регистрации гравитационных волн [4]. LIGO является совместным проектом ученых из Массачусетского технологического института, Калифорнийского технологического института и многих других научных организаций и университетов США. Проект построен при финансовой поддержке Национального научного фонда (NSF), его стоимость составляет 365 млн долл. в ценах 2002 г., является крупнейшим и самым амбициозным проектом, когда-либо финансируемых NSF (в США приравнивается к проекту «Аполлон» – высадке человека на Луну). В проекте LIGO принимают участие в научном сотрудничестве (LSC) 50 учреждений, с общим числом работающих более 800 исследователей. С вводом в эксплуатацию в 2007 г. Virgo – франко-итальянского детектора гравитационных волн, количество занятых стран, компаний и специалистов существенно прибавилось.

Каждый интерферометр состоит из двух полых цилиндров диаметром 1,2 м, расположенных в форме латинской буквы L длиной 4 км. В цилиндрах поддерживается сверхглубокий вакуум. Для повышения точности наблюдений вакуумные цилиндры установлены на специальном оборудовании, которое гасит колебания земной почвы.

Регистраторами являются лазерные интерферометры: с одной стороны – источник и приемник лазерного излучения, а с другой – зеркала на особых подвесах, одновременно являются пробными массами. Искажение пространства-времени, вызванное прохождением мощных гравитационных волн, вызовет изменение расстояния между источниками и отражателями лазерных лучей. Поскольку цилиндры расположены перпендикулярно друг к другу, то расстояние между одной парой источника и отражателя должно увеличиться, а между другой – уменьшиться. Ожидается, что изменения эти будут относительно невелики – всего несколько долей сантиметра.

Для достижения еще большей точности наблюдений и достоверности информационных сигналов построены сразу две подобные установки на большом удалении друг от друга: одна в штате Вашингтон, а другая – в Луизиане.

Глядя на фотографию американских монстров, я поражен масштабностью детекторов и теми затратами, которые были вложены в данный проект. Это действительно похоже на амбицию американской науки, которая, очевидно, пытается удивить остальной научный мир.

Вот здесь я не прав, американцы – они же прагматичные господа и деньги на ветер кидать не будут. Тогда что? Очевидно, они ожидают, что окупаемость этих проектов очень велика. Пытаются не отстать от Америки и правительства других стран и тоже не жалеют денег на строительство подобных детекторов для обнаружения гравитационных волн. Италия и Франция построили уже упомянутую VIRGO; Англия и Германия – GEO-600; Япония – TAMA-300. Все хотят разгадать великую тайну природы!

Я не принадлежу к числу скептиков и желаю ученым только успешных экспериментов в достижении благородной цели – четкой регистрации и понимания гравитации. В принципе, коллаборация LIGO уже оправдала надежды некоторых ученых: трое из них – Райнер Вайсс, Барри Бариш и Кип Торн в 2017 г. получили Нобелевскую премию за «решающий вклад» в создание обсерватории LIGO и наблюдение за гравитационными волнами.

Ура! Гравитационные волны открыли, это равносильно тому, что неуловимости гравитонов пришел конец! Ан нет, это какие-то странные гравитационные волны, рожденные от слияния двух массивных черных дыр (29 и 36 масс Солнца) с длительностью сигнала, не поверите, аж в две десятые доли секунды, на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от нас! «Менее чем за секунду они образовали черную дыру массой 62 солнечных, а „лишние“, около 4-х солнечных масс были выброшены в форме энергии – в основном в виде гравитационной волны» [5]. (Мой скепсис здесь касается того, что два громаднейших по массе космических тела слились в одно массой 62 солнечных всего за 0,2 секунды!) Это поистине сказочно быстрое слияние огромных масс и энергий.

Предполагаю, что через несколько лет проекты LIGO и Virgo перейдут в разряд музейных экспонатов, как детектор Дж. Вебера, только под открытым небом. Мой анализ данных проектов будет изложен в следующей книге.

Однако! В ближайшем будущем детекторы Вебера предполагают вывести в космос, и начнется новый виток охоты на пресловутые гравитоны. Но, к сожалению, Вебер этого уже не узнает – он скончался в сентябре 2000 г.

Возможно, впервые такой затратный пример показал Н. Тесла, который не смог справиться с молниями, и его проект гигантской башни Wardencliffe Tower на острове Лонг-Айленд спустя 15 лет после начала строительства рухнул от взрыва подложенной взрывчатки.

Глядя на такие масштабные проекты, поневоле скажешь, что А. Эйнштейн действительно был гениальным ученым. Судя по ироническому высказыванию физиков, «гениальность ученого заключается в том, насколько он затормозил развитие науки». Получается уже целый век!

1.3.3. Детектор «Дулкын»

В России тоже ведутся (велись) аналогичные работы, но не в таком масштабе, как у американцев. В Научном центре гравитационно-волновых исследований «Дулкын» (Татарстан) была построена подземная лаборатория ГИПО. Данным центром, по решению комиссии ВПК еще в начале 1990-х гг., был создан экспериментальный образец гравитационно-волнового детектора «Дулкын». Сегодня НЦ ГВИ «Дулкын», похоже, уже не проводит полугодовой эксперимент по проверке принципа эквивалентности Эйнштейна и калибровке лазерно-интерферометрического гравитационно-волнового детектора «Дулкын», так как Нобелевская премия «уплыла» на гипотетических гравитационных волнах через Атлантический океан в Америку.

1.3.4. Большой адронный коллайдер (БАК)

И это еще не все. Еще одно чудо современной мысли, про которое уже известно всем, – Большой адронный коллайдер (БАК) [6]. Этот огромный подземный ускоритель заряженных частиц диаметром 27 км был нацелен на поиск разгадки, а был ли Большой взрыв? Есть ли в природе загадочные и непонятные бозоны Хиггса (частицы Бога)? Доказательство «Стандартной модели» (теории элементарных частиц) и существование гравитонов – гипотетических частиц, которые отвечают за гравитацию.

В строительстве и исследованиях БАК участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более 100 стран мира. Глубина залегания туннеля – от 50 до 170 м с небольшим наклоном туннеля 1,4% относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (—271^о C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние. Но даже это чудо научной техники, как показали эксперименты, не в силах уловить или поймать то, чего в природе не существует!

Строительство коллайдера, которое продолжалось семь лет, обошлось в 9 млрд долл. Ускоритель частиц создавался под руководством Европейской организации ядерных исследований. В проекте было задействовано 700 специалистов из России. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам, достигает 120 млн долл. В то же время Россия внесла деньги в строительство БАК как долевой участник.

В двух больших экспериментальных коллаборациях – CMS и ATLAS трудится солидная международная команда. Вы посмотрите, даже та неполная часть из перечисленных выше установок показывает, какие усилия и финансы затратили и тратят страны и мировая наука (физические, умственные, материальные), какой точности смогли достичь измерительные приборы (5∙10^—19 см), а поймать гравитоны в хитроумно расставленные сети ну никак не удается.

Тогда как и где искать эти загадочные гравитационные волны или неуловимые гравитоны? А ведь они не единичные импульсы, которые уловила LIGO, а их триллионы, квадрильоны и квинтильоны вокруг нас. Похоже, физика зашла в тупик.

Пора уже их, эти гравитоны, отловить, иначе знаменитый закон всемирного тяготения так обрастет научной шелухой, что будущим поколениям его придется откапывать в научной макулатуре как артефакт.

P.S. За теоретическую разработку и предсказание бозона Хиггса в 2013 г. шотландцу Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру присуждена Нобелевская премия по физике. В 2017 г. Нобелевская премия присуждена за открытие гравитационных волн. Гравитационные волны были уловлены двумя лабораториями LIGO, от слияния двух черных дыр, события, которое произошло 1 млрд 300 млн лет назад [5].

БАК – это не только огромная по размерам подземная машина, здесь и научные статьи пишут огромными коллективами. В феврале 2018 г. в «Европейском физическом журнале» (The European Physical Journal C) опубликована статья, которую написали 2040 авторов (!), – «Measurement of the W-boson mass in pp collisions at s√=7TeVs=7TeV with the ATLAS detector» («Измерение массы W-бозона в pp-столкновениях с помощью детектора ATLASs√=7ТэВ») [7]. Интересно, этот фундаментальный авторский труд занесли в книгу рекордов Гиннеса?