Как ловяхме гравитационните вълни
Огън, Фогт, огън!
Юли 1996г., Алтадена, Южна Калифорния
Роби Фогт се вглежда внимателно в тъмния силует на пустинния хълм, който се издига отвъд оградата на неговия двор. В дерето под него мрачни сенки се прокрадват. "Койоти," заключва 70-годишният почетен директор на Обсерваторията за гравитационни вълни. Аз и моят колега студент се споглеждаме - не са ли опасни?
"Не. Те са коренните жители тук. Планината Сан Габриел е тяхна. Виж пожарите са наистина опасни."
Октомври 1993г., Алтадена, Южна Калифорния
Термометърът показва 120 градуса по Фаренхайт (49 Целзий). Смразяващ вой на предупредителни сирени се смесва с дрезгавия звук на пожарни машини и изпълва въздуха с тревога. Постепенно дори тревогата отстъпва място на гъсти облаци дим, които се спускат като лавини от хълмовете на планината, подгонени от изпепеляващия вятър на Санта Ана. Скоро огромни пламъци скачат от къща на къща. Изтощените пожарникари, изнемогващи под силата на стихията, получават заповед да се изтеглят към по-безопасен рубеж. Последният отстъпващ екип проверява от врата на врата за останали неевакуирани хора. Когато стигат до красива двуетажна къща от тъмно дърво с огромни прозорци, сгушена в подножието на планината, пожарникарите са слисани от невъзмутимостта на високия възрастен мъж, който им отваря врата. Изпод ъгловати старомодни очила с дебели рамки той спокойно ги запитва с дрезгав европейски акцент:
"Лоша ли е ситуацията?"
"Ние се изтегляме, сър. Не можем да удържим квартала. Всичко гори наред. Трябва да дойдете с нас."
Зад гърба на възрастния човек се появява стройна младолика жена на 65, със сини очи и благородно излъчване. Тя се усмихва на младите пожарникари.
"Няма да го убедите да си напусне къщата. Това е човек оцелял в битката за Берлин. Тръгвайте, за да не ви обгради огънят."
"Госпожо Фогт, евакуацията е задължителна!" - настоява командирът на екипа.
Професорът приятелски слага ръка на рамото на младия мъж.
"Момчета, чухте Мишлен - ние оставаме. Само ще ви помоля да ни дадете един добър маркуч."
Без съпротива, но с чувство за обреченост, командирът дава знак на двама пожарникари да изпълнят желанието на професора и бързо да се качват обратно на камиона.
Мъжете върху потеглящата пожарна машина не свалят поглед от симпатичната възрастна двойка, която им махва като че за сбогом. В момента, в който пожарната се скрива зад завоя, Роби грабва маркуча и започва да го влачи през къщата към задния двор, от страната на пламтящата планина, пътьом инструктирайки жена си:
"Ти си горе на терасата. Пред теб е 12 часа, зад теб 6, вятърът духа откъм 2."
Мишлен бързо се изкачва на позиция, тъкмо на време да види огромна огнена топка, ускоряваща се по склона към къщата.
"Три часа!"
Април 1945 г., Берлин
Слабо, високо момче на около 15, облечено в униформа на "Хитлер-югенд", едва удържа отката на противовъздушното оръдие, което управлява. Около него полуразрушената сграда на "Лайбниц щрасе" се тресе от падащите авиационни бомби. Зад него офицер от СС крещи заповеди на половин дузина хлапета, които обслужват голямото оръжие. По лицето на високото момче се чете притеснение и нежелание да се намира на това ужасно място, но гласът на офицера е неумолим.
"Три часа! По-бързо, Фогт! Огън!"
Огромна експлозия скрива всичко. Хвърчат парчета тухла. Гласът на есесовеца замлъква. От облака дим, обгърнал горящата сграда, се появява покритата с прах слаба фигура на 15-годишния Роби, който тича с вдигнати ръце към взвода противниковите войници, намерили прикритие зад ъгъла на улицата. Сълзи се стичат по лицето му, докато го претърсват за оръжие, предлагат му цигара и го оставят да седне на тротоара зад тяхната позиция. Отвъд грохота на падащите снаряди се чува далечен звън на телефон.
Октомври 1993 г., Алтадена, Южна Калифорния
Мишлен вдига слушалката. От другата страна е притесненият глас на професор Кип Торн - звездата на факултета по теоретическа физика. Мишлен го успокоява, че всичко е под контрол, но че не може да говори, защото помага на Роби.
Сигурно се шегувате, г–н Айнщайн
Идеята да се построи Обсерватория за гравитационни вълни се ражда в главата на Кип Торн през 80-те години. Считан за един от 5-те най-брилянтни живи теоретични физици, професорът от Калтек е известен с близкото си приятелство със Стивън Хокинг и с шеговитите научни басове, с които двамата се предизвикват един друг. През 1975 г. един такъв спечелен бас донася на Кип Торн едногодишен абонамент за списание "Пентхаус". Но освен шегобийството неговата първа и основна страст е силата на гравитацията.
Ваната на Архимед, ябълката на Нютон, самолетът на братята Райт, стъпката на Нийл Армстронг – това, което обединява голяма част от великите човешки постижения, е, че са резултат на взаимоотношенията на хората с неизбежността, наречена гравитация - тази най-всекидневна и като че ли разбираема конкретна сила. Но историята на науката не е без ирония. Най-добрата теория на гравитацията, с която разполагаме, е общата теория на относителността на Айнщайн - човек, който се е интересувал от светлината, един от малкото физически обекти без маса и съответно неподлежащ на влиянието на гравитацията според класическата физика.
Преди да стигне до общата теория, младият Айнщайн в свободното си от чиновническа работа време формулира специалната теория на относителността в търсене на отговор на необясним резултат от експеримент, извършен 20 години по-рано. В края на 19 век в научния свят преобладава мнението, че класическата физика, включваща електромагнетизма на Максуел, описва успешно почти всички природни процеси и че науката физика е постигнала своя максимум.
Един от малкото неразрешени въпроси е как се разпространява светлината. Уравненията на Максуел подсказват, че светлината е вид електромагнитна вълна от енергия, подобна на звуковите и на морските вълни. И както звукът не може да се движи във вакуум, а морските вълни се нуждаят от вода, която да пренася енергията им, учените теоретизират, че съществува някаква специална материя (етер), която е навсякъде, прониква през всичко и пренася енергията на светлината.
За да проверят теорията, Майкелсън и Морли построяват интерферометър с идеята да засекат разлика в скоростта на светлината в зависимост от движението на Земята спрямо етера. Уредът представлява система от огледала и призма, която разделя лъч светлина на две части, които се движат по перпендикулярни рамена, преди да се срещнат отново върху светочувствителна плака.
Експериментът не само не намира никакви данни за съществуването на етер, но и отчита едно много странно наблюдение – скоростта на светлината е напълно идентична независимо дали се мери паралелно или перпендикулярно на движението на Земята. Тоест, ако си представим, че източник на светлина се намира в бърз влак, а ние стоим неподвижни на гарата, и ние, и пътниците във влака ще видим светлината да се движи с една и съща скорост – пряко противоречие с класическата физика.
Айнщайн разрешава дилемата с помощта една хитрост – след като експериментите и уравненията на Максуел показват, че скоростта на светлината трябва да е еднаква за пътниците във влака и тези на перона, то тогава времето във влака и на гарата трябва трябвало да тече по различен начин, за да се избегне парадокс. Това е същността на специалната теория на относителността. Oттук следва и знаменитото уравнение Е=mc2, с всичките му последствия за земната геополитика.
Айнщайн завършва теорията в свободното си време за броени седмици през 1905. След това решава да приложи идеята към светлина, движеща се в гравитационно поле. Тази малка добавка му отнема следващите 10 години. Оказва се, че за целта е необходимо гравитацията да се опише математически не като класическа нютонова "сила на привличане", а като изменение на самата геометрия на четириизмерното пространство-време в присъствието на обекти с маса.
За тази цел Айнщайн използва нов, по съвпадение току-що измислен, математически способ и изненадващо неочевидното наблюдение, че човек в падащ асансьор не би могъл експериментално да разбере дали въжето се е скъсало или някой магически е изключил гравитационното поле на Земята. Резултатът е общата теория на относителността - една от най-впечатляващите и интригуващи теории на физиката до ден днешен, отваряща вратата на човечеството към черни дупки, гравитационни телескопи и, разбира се, гравитационни вълни.
Геометрията на времето и един много голям транспортир
Октомври 1993 г., Алтадена, Южна Калифорния
Скоростта на хвърчащите огнени кълба срещу къщата на семейство Фогт наближава ограничението по калифорнийските магистрали. С математическа прецизност Мишлен насочва Роби, който сваля огнените залпове със силната струя от пожарникарския маркуч.
След 6-часова борба с вятъра и огъня Роби и Мишлен успяват да спасят къщата си. Завръщащите се пожарникари са изумени от гледката на стария професор и жена му, целите покрити в сажди – изтощени, но победители.
Двамата се запознават малко след войната. Роби прекарва първите месеци в канализационна шахта в Берлин, пригодена за бежанци и хора, останали без покрив над главата. Съсед по матрак му е унгарски професор по физика, който в дългите берлински нощи забавлява 16-годишното момче с уроци и задачи, въпреки че Роби е завършил само 6 клас. Тези нощи запалват искра в сърцето на бъдещия учен и 20-годишен той постъпва да учи физика. В университета среща Мишлен. През 50-те години вече пътува до Антарктида като част от легендарните експедиции на американския изследовател адмирал Бърд, който го привлича в Америка. През 60–те е поканен да преподава в Калтек при Ричард Файнман и Роберт Опенхаймер - двама от бащите на атомната бомба.
Много талантливи европейски физици, които емигрират в Америка по това време, са привлечени към проекти, свързани с американската военна програма, в момента, в който получат американско гражданство. Въпреки това немецът Роби и французойката Мишлен, които след войната се отказват от немското и френското си гражданство, правят пакт никога да не приемат американски паспорт. Ужасът на войната и нечовешките жестокости, извършени в името на държави и нации, ги е направило неумолими. Така Роби става професор Фогт, но никога не работи по военните приложения на своята наука.
В навечерието на 70-ата годишнина от публикуването на общата теория на относителността Кип Торн почуква на вратата на офиса на Роби с нова идея – да построят интерферометър като на Майкелсон и Морли, но не с обикновена светлина, а с лазерна, и не метър на метър, а 4 на 4... километра. И не един, а направо два. Така се ражда проектът за обсерваторията за гравитационни вълни. 30 години, 620 милиона долара и усилията на хиляди учени по-късно проектът успява да постигне невъзможното – да свали Доналд Тръмп от главните световни новини за почти цяло денонощие.
Аз прекарах четири много интересни години в Пасадена, в големия екип на професор Роби Фогт. Една година моделирах огромните огледала на интерферометъра с цел да разберем дали топлината от лазерния лъч ще измени оптичните им свойства. Друга година изследвах дъжда в Луизиана, за да преценим дали ще създава измамни вибрации на честотите на очакваните гравитационни сигнали. Лятото на световното първенство по футбол във Франция прекарах в хангара, където е бил проектиран и тестван "Мустанг П-51" – американският отговор на легендарното "Зиро", японски изтребител от Втората световна война. Моята задача беше далеч по-скромна – да измисля способ за свързване на кабелите на електрическите двигатели на огледалата на интерферометъра, така че те да останат изолирани от вибрациите на земята под тях.
Всички тези забавни и необичайни задачи бяха насочени към един основен въпрос: възможно ли е да се построи толкова чувствителен интерферометър, който да измери гравитационна вълна с амплитуда, по-малка от размера на електрон. Това означава огромното съоръжение да се изолира изцяло от всевъзможния шум и вибрации, толкова присъщи на нашата планета. И така целият огромен интерферометър като че ли виси закачен в пълен покой в очакване на послание от Вселената. А за да сме сигурни, че посланието е истинско, и за да разберем откъде идва, построяваме две еднакви обсерватории на 3 хиляди километра една от друга.
През 2000 година след поредица от технически трудности и междуличностни несъгласия, връхлетели LIGO, професор Роби Фогт подаде оставка като изпълнителен директор на проекта. Въпреки това най-силният ми спомен от това време винаги ще остане историята на момчето от Берлин, което, принудено да воюва в името на една чудовищна и безсмислена идеология, се отказва от национална и държавна идентичност, за да намери дом и смисъл в идеята, че светът е необикновен.
Толкова необикновен, че дори добрата стара, позната и скучновата гравитация е способна да накара времето, пространството и самите нас изведнъж да завибрираме с музиката на две огромни черни дупки, танцували заедно преди милиард години. Може би някога такива ще са водещите новини всеки ден, а политиката на омраза, манипулация и противопоставяне на едни хора срещу други ще е забравена. Можем поне да си помечтаем, докато пространство-времето продължава да си играе с нашето усещане какво е истинско и какво не.