Кип Торн - Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

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 секунду [104] Отклику на частотах более низких, чем 1 колебание в секунду, мешают струны, на которых подвешены массы. Они не позволяют массам свободно двигаться в ответ на такие низкочастотные волны. , 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 [105] На самом деле улучшение чувствительности происходит не таким прямым образом, и достичь такой предельной чувствительности гораздо сложнее, чем сказано, но все же приведенное описание в общих чертах верно. . 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 датчиков [106] Прогресс в развитии интерференционных детекторов за истекшие 12 лет привел к тому, что и этот тысячекратный запас оказался исчерпанным, и в настоящее время активно разрабатываются схемы квантово-невозмущающих датчиков для следующего поколения гравитационно-волновых антенн. [Прим, ред.] .

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 волн [107] Через некоторое время команда Брагинского снова вернулась в эту область, когда стало ясно, что даже гигантских усилий Калтеха и финансов Национального научного фонда США недостаточно для решения всех множащихся сложных проблем, встающих в процессе разработки и разворачивания полномасштабных гравитационных антенн. Была образована международная научная коллаборация LIGO (LIGO Scientific Collaboration) для координации усилий всех научных коллективов, работающих в этой области. Московская группа под руководством член-корреспондента Российской академии наук В.Б. Брагинского внесла большой вклад в решение ряда важных задач в проекте (совершенствование подвеса пробных масс, исследование механических шумов, разработка новых методов квантово-неразрушающих измерений). Кроме того, это сотрудничество помогло научной группе выжить в трудные для отечественной науки годы. См. также примечание самого К.Торна далее. [Прим, ред.] . (В других лабораториях в мире твердотельные антенны продолжали строить, и это очень хорошо, поскольку они дешевы по сравнению с интерферометрами, пока еще более чувствительны [108] Сейчас, в 2005 г., после запуска двух 4-км антенн LIGO в США, 3-км антенны VIRGO в Италии, 600-метровой GEO в Германии и 300-метровой ТАМ А в Японии это уже не так, и сравнение получается явно не в пользу детекторов на болванках. [Прим, ред.] и в долговременной перспективе могут сыграть свою роль на более высоких частотах.)