Гравитационное взаимодействие вездесуще и всепроникающе. Выключить его невозможно. Придумать антигравитацию можно, обнаружить и использовать ее – очень хочется, но не удается... Гравитация привычна и иногда небезобидна: споткнешься – упадешь, ударишься… Мы родились и росли в ее (гравитации) колыбели, живем и перейдем на иной план бытия, будучи пронизаны и сопровождаемы ею. Пылающие солнца и остывшие планеты, массивные нейтронные звезды и легчайшие нейтрино – все, имеющее массу, подчинено Гравитации. Сначала мы полагали, что знаем о ней все. Или очень много. Потом усомнились в этом.

Даже средние ученики знают о постоянстве ускорения, с которым тела падают на землю в пустоте – Галилей догадался, что небольшое различие в ускорениях шаров, бросаемых им с Пизанской башни, исчезает при движении в безвоздушном пространстве. Известен закон всемирного тяготения Ньютона, изящная математическая формула взаимного тяготения материальных точек и сфер –  не забудем поблагодарить Роберта Гука за то, что он подтолкнул Исаака Ньютона к размышлениям в нужном направлении, ибо утомленный научными трудами и уже прославленный почтенный академик собирался было посвятить остаток дней своих только теологическим исследованиям – это в 37-то лет!

Это было удивительно красивое, математически корректное, выверенное экспериментами (на уровне современной ученым технологии) и расчетами движения планет, но – классическое детство теории тяготения. Потому что еще не было произнесено слово «поле». Первым, кто задал нужный вопрос, тем самым поставив задачу, был великий Майкл Фарадей:  каким образом взаимодействие передается через пространство? Как Земля «чувствует» сдвиг Солнца на некоторое расстояние? Как Солнце удерживает Землю на орбите? Что движется в пространстве, передавая сигнал «я тебя притягиваю!» от одного массивного тела к другому и обратно?

Математическое воплощение концепции поля – реального материального объекта, обладающего собственными энергией и импульсом – создал Джеймс Максвелл, ответив на вопрос Фарадея: взаимодействие переносится полем. Особым видом материи, порождаемым источниками: в электромагнетизме – заряженными частицами, в гравитации – любым телом, обладающим массой. Теория гравитационного поля возникла позднее... 

Честно говоря, слово «возникла» плохо описывает завершение Альбертом Эйнштейном к 1916 году формулировки основных принципов теории пространства, времени и тяготения. Более десяти лет напряжения мысли, вычисления, рассуждения, исправление математических ошибок, изменение логических выводов, тупики – и выход из тупиков, статьи, обсуждения...

Более десяти лет Альберт Эйнштейн провел в непрестанном труде – да, не просто «возникло» мировоззрение ученых 20-го века, понимание физического поля как геометрической сущности. К 1916 году была в целом завершена логически непротиворечивая концепция, в которой тяготение предстало как проявление геометрии – масса (энергия) искривляют 4-мерное пространство-время, и степень его деформации является мерой интенсивности гравитационного поля. Собственно, искривления геометрии воспринимаются нами как тяготение, деформации эти не статичны, пространство-время взаимодействует с погруженной в него материей, реагируя на ее эволюцию.

Компактные тензорные уравнения Общей Теории Относительности (ОТО) Эйнштейна невыносимо прекрасны с точки зрения ученого: красота и стройность математических формулировок и выводов – один из критериев их правильности, как считал Эйнштейн. (Кстати, этот критерий действительно работает – знаю по своим коллегам и по себе. Некрасивые коэффициенты, корявые уравнения, подозрительно длинные ответы почти наверняка содержат ошибку. Логика, как проводник на пути к истине, должна быть еще и эстетически совершенна.)

Да-да, мы все знаем, что «практика – критерий истины», «доверяй, но проверяй» и т.п. И, конечно, различные предсказания теории Эйнштейна проверялись экспериментально – предсказания не только ОТО, но и первой ее части – СТО, Специальной Теории Относительности. Установлено, что нет движения Земли относительно выделенной системы отсчета («эфира»), показано в экспериментах, что скорость света не зависит от скорости источника. Доказано, что все релятивистские эффекты (замедление времени, сокращение длины, возрастание массы) имеют место – сомнений в этом быть не может.

Затем настало время для проверки предсказаний ОТО. Теория объяснила аномальную прецессию перигелия Меркурия. Даже далекие от физики люди, не понимая ни смысла символов, ни глубины идеи, слышали, что Е = mc², то есть, энергия эквивалентна массе – именно поэтому лучи света (потоки фотонов с нулевой массой) отклоняются при прохождении вблизи большой тяготеющей массы – Солнца – в точном количественном соответствии с расчетами Эйнштейна. Список подтвержденных предсказаний включает гравитационное замедление хода времени вблизи больших масс, гравитационное красное смещение, уже ставшее привычным существование «черных дыр», которые в их 

микроскопическом варианте надеются увидеть в экспериментах на Большом Адронном Коллайдере, а в макроскопических масштабах должны наблюдаться во Вселенной (и они есть – теперь об этом мы говорим уверенно).

Чтобы завершить проверку ОТО, оставалась «мелочь» – обнаружить еще одно из теоретических следствий уравнений Эйнштейна – наличие волновых решений, бегущую по пространству-времени «рябь», гравитационные волны. Чтобы создать такие бегущие со скоростью света колебания ткани пространства-времени (точнее, в уравнениях «колеблется» математическая характеристика – компоненты метрического тензора), нужно движение массивных тел с переменным ускорением. Чтобы «увидеть» очень слабый сигнал бегущего гравитационного всплеска, потребовалось сто лет...

В истории науки известны задачи, ясно сформулированные и точно поставленные, поиск решения которых затягивается, мягко говоря, надолго. Хорошо известный пример – Большая теорема Ферма. Простенькое на вид утверждение, красивое доказательство которого всего лишь не поместилось, по словам Ферма, на полях книги, было найдено более чем через 300 лет (и оказалось вовсе не таким простым, как это представлялось Ферма)!

В математике известно много таких проблем, которые постепенно находят свое решение. Еще одна из них – известная гипотеза Римана, доказательство которой недавно нашел Григорий Перельман. В физике такой долгожительницей была проблема обнаружения гравитационных волн и подтверждение, тем самым, правильности взгляда на гравитацию, как проявление геометрии пространства-времени. Разница с математикой, однако, существенна. Уравнения ОТО, дающие волновые решения, были проанализированы 100 лет тому назад. Но – помните «доверяй, но проверяй»? – теорию должен был подтвердить (или опровергнуть) эксперимент.

Косвенные доказательства существования гравитационных волн известны: вращающиеся с возрастающим ускорением вокруг общего центра масс двойные звезды сближаются со скоростью, соответствующей потере энергии системами на излучение гравитационных волн. Достаточно быстро этот процесс слияния компактной пары звезд происходит для пары нейтронных звезд или черных дыр. За время коллапса такой двойной системы на излучение гравитационных волн тратится колоссальная энергия, примерно равная половине массы системы. Именно в таких системах и наблюдается ускоренное вращение, характерное для объектов, излучающих гравитационные волны. Сближение между компонентами звездных систем и есть косвенное подтверждение существования волн пространства-времени. В 1993 году за открытие нового типа пульсаров и косвенное подтверждение излучения энергии в форме гравитационных волн Нобелевская премия по физике была вручена Р. Халсу и Дж.Тейлору мл. Но... лучше один раз попробовать, чем знать в пересказе, как это вкусно, не правда, ли?

Непосредственные поиски гравитационных волн с использованием детекторов начались в 60-е годы прошлого века. Дж. Вебер из Мэрилендского университета долгое время проводил эксперименты на гравитационной антенне – массивной, охлажденной до низкой температуры металлической болванке, подвешенной на проволочках. При прохождении волны размеры детектора должны немного измениться, при совпадении собственной частоты колебаний и частоты волны должен наблюдаться резонанс – увеличение амплитуды колебаний детектора, имеющего чувствительность до 10^-16 м!

Физик даже сообщал о получении сигнала, но в дальнейшем его результаты не подтвердились. Кстати говоря, детекторы такого типа продолжают совершенствовать – наступление продолжается широким фронтом. Но флаг победы уже поднят – прямая регистрация гравитационных волн, порожденных слиянием пары черных дыр,  осуществлена 14 сентября 2015 года в 9 часов 51 минуту утра. За четыре дня до рабочего пуска системы. В пробном ее прогоне. Редчайшее событие, которого никто и не прогнозировал! Найти во Вселенной две близкие черные дыры, готовые к слиянию, - не просто везение. Да еще чтобы и установка была в нужный момент в рабочем режиме... Снисходительность Высших сил? «Толцыте и обрящете – и дастся вам...» Настойчивость, упорство мысли, вера в силы человеческие вознаграждаются заслуженной удачей.

Официальное объявление об открытии было сделано 16 февраля 2016 года – пять месяцев даже не слишком большой срок для вызревания столь серьезного результата. Вообще, правильно и хорошо исполненное Дело непременно означает тщательность подготовки, надежность всех звеньев многократную проверку – научные исследования требуют именно такого подхода. Так же скрупулезно уточняли параметры обнаруженного бозона Хиггса коллаборации ATLAS и CMS в ЦЕРНе. Так работали и физики в коллаборациях LIGO и VIRGO в Хэнфорде и Ливингстоне – на установках-близнецах, разнесенных на 3000 километров.

Идея в дублировании установок состояла не в демонстрации «богатства» ученого мира, а в следовании тому же принципу надежности научных результатов – еще одно совпадение сигналов не помешает. Если совсем коротко и сухо: форма сигнала совпадает с тем, что предсказывает ОТО для процесса слияния двух черных дыр, после все ускоряющегося их вращения друг вокруг друга,. Немаленьких – 29 и 36 масс Солнца, не близко – около 1.3 миллиарда световых лет от Земли. Если бы энергия ими не излучалась, суммарная масса должна была составить 65 масс Солнца, однако энергия, эквивалентная примерно трем массам Солнца, была в течение долей секунды потрачена на «встряхивание» материи пространства-времени – и дошла до нас в виде уже слабых колебаний. Автор идеи эксперимента Кип Торн сравнил энерговыделение в этом «страстном объятии» черных дыр с производством энергии всеми звездами видимой части Вселенной – они излучили в 50 раз меньшую мощность.

Точное название установки – интерферометрический детектор. В двух длинных (около четырех километров) взаимно перпендикулярных бетонных «коридорах» движутся когерентные (имеющие постоянную разность фаз) лазерные лучи. В конце «коридоров» – вакуумные камеры, где установлены зеркала, отражающие лучи. Вернувшись обратно, лучи соединяются.

Конструкция подбирается так, что при отсутствии смещения лучи взаимно ослабляют друга до нулевой освещенности фотодетектора. При малейшем смещении зеркал характер интерференции лучей меняется, и форма светового сигнала укажет на степень их рассогласования. Представьте, что дрогнула «сетка», в которой находится Земля, слегка изменились размеры «ячеек сетки» - и один из лучей света пробежал по чуть более длинному пути. «Чуть» – это, примерно, 10^-18 м, и это «чуть» очень даже считается.

Идея такого эксперимента высказывалась советскими физиками в начале 60-х годов и была переоткрыта в Соединенных Штатах Кипом Торном и его коллегами-экспериментаторами, Рональдом Древером из Калифорнийского  политехнического и Райнером Вайсом из Массачусетского технологического институтов лишь через 10 лет. Переоткрыта и, заметьте, ими же реализована. Разговорами не удовольствовались  – строительство началось в начале 90-х. Сейчас не только такие экспериментальные датчики гравитационных волн, но и детекторы резонансного типа (как у Вебера), продолжают проектироваться и строиться в Германии, Франции, Италии, Японии, Голландии... Тем, кто ищет дело жизни в этой удивительной, непознанной и бесконечной Вселенной, стоит задуматься, не заняться ли физикой – впереди их ждут открытия, только работай!

В чем польза Больших Открытий вообще и этого замечательного результата, в частности? Мой друг-математик высказал интересную точку зрения: долгожданное доказательство теоремы Ферма исключительно  полезно еще и тем, что теперь множество превосходных математиков смогут успокоиться и заняться действительно важными задачами – их в математике предостаточно! Вот в случае с гравитационными волнами или, скажем с обнаруженным бозоном Хиггса, думаю, вопрос так не стоит. Успокоиться и заняться чем-то более нужным и интересным не удастся – то, что сейчас начинает мерцать в темноте, что достигнуто в фундаментальной физике, позволит, возможно, вообще изменить наши представления о рождении и эволюции Вселенной.

 «Теперь у меня две коровы будет, вдвое больше молока получу» – радовался кот Матроскин. Теперь и у физиков появляется новый инструмент, с помощью которого, несомненно, мы сможем расширить круг знаний о мироздании. Скажем, телескоп, работающий в диапазоне радиоволн, смог обнаружить реликтовое микроволновое излучение - оптические, обычные телескопы его не видят.

Гравитационная астрономия – наука 21-го века. Станет возможной проверка некоторых деталей ОТО – что происходит в момент неустойчивости гравитирующих систем, на границе коллапса. Теперь можно искать реликтовое гравитационное излучение – вздрагивания пространства-времени, ослабевшие, но не утихающие с первых моментов после Большого взрыва.

Совсем недавно, в марте 2014 года группа BICEP2 объявляла об открытии этих реликтовых волн, но – въедливость ученых хорошо известна... Вопросы типа «А все ли вы учли? А возможна ли иная интерпретация результатов?» – надежное и испытанное средство очищения науки от шума и фона. Пока авторы доклада признали, что слегка поторопились с выводами, но, вы же понимаете, они продолжают работать! Те закоулки пространства – времени, которые не может «увидеть» свет (ранняя Вселенная непрозрачна в определенные моменты), эти «темные места» сами о себе расскажут на языке гравитационных колебаний.

Насколько близко мы сумеем подойти к точке сингулярности, к самому Началу, еще неизвестно, но первый шаг сделан. Может быть, некоторые редкие процессы в Темной Материи (например, столкновения ее плотных сгустков) тоже способны порождать детектируемые на Земле гравитационные сигналы – и это интересно. Надеемся узнать, что происходит с парами быстро вращающихся нейтронных звезд. Вселенная сама не отвечает на вопросы, тем более – на некорректно поставленные. О чем спрашивать, как формулировать вопрос, где и как искать ответ – дело умов и рук самих вопрошающих. Нужны инструменты, требуются идеи и предсказания, дел невпроворот – значит, продолжается жизнь, и наука расширяется, как и пространство-время. Растет круг знаний, и вместе с ним увеличивается и длина границы с Неизвестным. Но это ведь только радует.

Общество плохо представляет себе цели (методы и инструментарий) фундаментальной науки, но всегда готово пользоваться ее плодами. И в ответе на вопрос «Что нам с ваших открытий?» не всегда удается удовлетворить вопрошающего. Ждать пользы, возможно, придется долго. Но лишь те народы и государства, которые видят смысл не в сиюминутной выгоде, а в умножении Культуры мира (ведь наука – самая динамичная часть общей культуры человечества), останутся в истории и на карте мира.

...Совершенное открытие, безусловно, тоже останется в истории науки. Не как мертвый экспонат, а как еще один путь. Как найденный ключ к еще одной двери Природы, как новая возможность для вдохновения и труда ученых (не построена еще квантовая теория гравитации, почти ничего неизвестно о физическом вакууме, не завершена теория суперструн, далеко до «Теории Всего» – объединения всех четырех типов взаимодействий при высоких энергиях). Впереди еще много запертых дверей и загадок, но в одну из ранее запертых дверей мы вошли. И за ней – ставшее более знакомым Пространство и время...

кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий лабораторией НИИ физики Южного федерального университета