интерферометрия гравитационных волн

Два состояния атома стронция — основное и возбуждённое — ведут себя как два близнеца, бегущие по одной дорожке, но один чуть выше другого. Обычно свет, которым управляют атомами, подталкивает одного «близнеца» сильнее, другого слабее. Здесь подобрали длину волны 813 нанометров — «магическую», при которой оба состояния получают одинаковый толчок.

Когда свет проходит сквозь мутную жидкость, например стакан с разболтанной глиной, он ослабевает — часть фотонов поглощается молекулами среды. На этом принципе основаны многие приборы для анализа жидкостей: измеряя долю потерянного света, можно судить о составе.

Детекторы гравитационных волн — это, по сути, сверхчувствительные «уши» Вселенной: они улавливают дрожь пространства-времени, возникающую при столкновении чёрных дыр или нейтронных звёзд. Но даже самые совершенные «уши» слышат далеко не всё.

Квантовая частица может быть волной — и проходить сразу через два пути. Но стоит чему-то «подсмотреть», по какому пути она пошла, — волна исчезает. Этот эффект называют потерей интерференции. Обычно за подглядывание отвечают фотоны или молекулы воздуха.

Вы слушаете далёкий шёпот звёзд, а рядом кто-то постоянно двигает стул. В гравитационно-волновых телескопах эту роль играет рассеянный свет — он отражается от дрожащих поверхностей и создаёт ложные сигналы. Особенность таких помех в том, что они выглядят как повторяющиеся дуги на частотно-временной карте, словно серия арок, уходящих вдаль.

В погоне за гравитационными волнами — рябью пространства-времени, оставленной чёрными дырами и нейтронными звёздами — детекторы вроде LIGO накачивают свои плечи светом ослепительной мощности.

Космические антенны LISA и Taiji — это три спутника, которые летят за Землёй вокруг Солнца, образуя треугольник со сторонами в миллионы километров. Они измеряют, как меняется расстояние между ними, когда проходит гравитационная волна — словно рябь на пруду от брошенного камня.

Два чувствительных микрофона слушают Вселенную. Один слышит низкий гул, другой — почти ничего. Дело не в неисправности, а в том, как они повёрнуты. Гравитационно-волновые обсерватории вроде LIGO ловят не только громкие всплески от слияния чёрных дыр. Они пытаются расслышать тихий, постоянный фон — эхо далёких событий, смешанное в общий гул.

Глобальная сеть подводных интернет-кабелей, опоясывающая планету, функционирует подобно гигантскому уху. Внутри каждого кабеля — стеклянная нить (оптоволокно), которая чутко реагирует на движения воды: течения, приливы и даже далёкие землетрясения вызывают микроскопические изгибы.

Переводчик записывает многочасовой разговор. Если он попытается удержать в голове весь диалог целиком, к концу неизбежно переврёт детали. Примерно так работают гравитационные обсерватории: они слушают «разговор» массивных тел, сближающихся по спирали.

Вселенная пронизана невидимой субстанцией — сверхлёгкой тёмной материей, которая не сталкивается с обычным веществом, но может дрожать, словно туго натянутая струна.

Детекторы LIGO, Virgo и KAGRA действуют как сверхчувствительные «микрофоны» Вселенной, улавливающие гравитационные волны — колебания самой ткани пространства-времени.

Огромный надувной шар, на котором нарисованы галактики, раздувается — и рисунок растягивается, соседние точки отдаляются друг от друга. Скорость этого растягивания и есть постоянная Хаббла. Обычно астрономы ловят свет далёких звёзд и смотрят, насколько он покраснел от растяжения пространства.

Два луча света бегут по замкнутому кольцу во встречных направлениях. Согласно постулату о неизменности скорости света, в вакууме она всегда одинакова для любого наблюдателя. Когда кольцо вращается, один луч вынужден догонять смещающуюся цель — его путь удлиняется, а второй, напротив, летит навстречу приёмнику, сокращая дистанцию.

После того как Поль Дирак теоретически предсказал антивещество, физики ищут малейшие различия между частицами и их античастицами.

Застывшее тесто для кекса усеяно крошечными изюминками. Если тесто однородное, все изюминки разбухнут одинаково, и кекс получится ровным. Но если в тесте есть уплотнения — одни участки слаще, другие более пресные, — то и изюм распределится неравномерно: где-то его будет густо, а где-то пусто.

Общая теория относительности Эйнштейна описывает, как масса искривляет пространство и время. Эти предсказания многократно проверяли в слабых полях, например, вблизи Земли, но самые суровые испытания теории скрыты у горизонта чёрных дыр — объектов, где кривизна пространства-времени достигает экстремальных значений.

Маятник качается с такой точностью, что, отсчитывай он секунды от Большого взрыва, к сегодняшнему дню ошибся бы всего на полсекунды. Такова стабильность нового портативного ультрафиолетового лазера — сердца алюминиевых атомных часов. Этот лазер работает как сверхточная линейка для измерения частоты атомного перехода.

Рентгеновский аппарат с решётками делает не одну, а сразу три фотографии: обычный снимок, карту невидимых глазу изгибов луча и изображение мельчайших структур, которые рассеивают свет. Вместе они помогают разглядеть, например, эмфизему или фиброз лёгких. Но есть загвоздка: чтобы разделить эти три слоя, нужен хитрый математический приём.

Радиоволны от гамма-всплеска — катаклизмической гибели массивной звезды, чья вспышка на мгновение затмевает целую галактику, — достигают Земли поляризованными. Это значит, что их электрическое поле колеблется преимущественно в одной плоскости, подобно стрелке компаса, застывшей в магнитном поле.

Крошечная стеклянная бусина висит в луче лазера, как пылинка в солнечном свете. Вокруг неё — разреженный газ: атомы криптона, ксенона и тяжёлые молекулы шестифтористой серы. Они сталкиваются с бусиной, и каждый удар передаёт ей крошечный импульс — как горошина, брошенная в натянутую простыню, заставляет её дрожать. Импульс — это мера движения: произведение массы на скорость.

Атомный гравиметр работает как очень точные весы для силы тяжести: он подбрасывает облако атомов и смотрит, как быстро они падают. Но у таких приборов есть скрытая помеха — форма сигнала, который они выдают, слегка перекошена. Этот перекос, как неровный край линейки, незаметно сдвигает все измерения.

Гамма-всплеск — это как выстрел из космической пушки: короткая, но ослепительная вспышка, которая на несколько секунд затмевает целую галактику. Но если смотреть на неё в самый жёсткий гамма-диапазон (фотоны с энергией выше гигаэлектронвольта), то сигнал часто теряется в шуме — как тихий шёпот в шумном зале.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивные объекты вызывают искривление пространства-времени — подобно тому, как тяжёлый шар прогибает натянутую резиновую плёнку. При ускоренном движении таких объектов рождается рябь — гравитационные волны, расходящиеся, словно круги от брошенного в пруд камня.

Гитарная струна, задетая пальцем, дрожит — и воздух вокруг неё передаёт дрожь в ухо. Пространство-время дрожит иначе: когда в нём проходит гравитационная волна, оно слегка растягивается и сжимается. Заметить такую дрожь на частотах от 10 килогерц до 100 мегагерц — задача, для которой строят детекторы нового типа. В основе — сверхпроводящая радиочастотная полость.

Гравитационные волны — это дрожь самого пространства, которую рождают, например, сталкивающиеся чёрные дыры. Чтобы услышать эту дрожь, строят гигантские Г-образные установки: лазерный луч бежит по двум плечам, отражается от зеркал и возвращается. Если пространство чуть сжалось или растянулось, свет приходит с разницей — и мы видим сигнал.

Классическая теория гравитации Эйнштейна — общая теория относительности, описывающая тяготение как искривление пространства-времени — и квантовая физика крайне редко встречаются в прямых экспериментах.