В Зеленограде много лет живет и работает замечательный российский ученый, академик РАН Владислав Иванович Пустовойт — специалист в области физики твердого тела, общей теории относительности, акустоэлектроники и акустооптики. Он является научным руководителем Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН и советником генерального директора ВНИИФТРИ.

В июне этого года ему была присуждена Государственная премия в области науки и технологий. Это уже пятая его госпремия — две из них были вручены еще в СССР, когда Владислав Иванович был сотрудником Всесоюзного института Физико-технических и Радиотехнических измерений Госстандарта СССР (нынешний ВНИИФТРИ).

А еще стоит упомянуть, что в 2017 году Нобелевскую премию «за решающий вклад в создание детектора LIGO и регистрацию гравитационных волн» получили три американских физика, но саму идею и принцип реализации метода разработали еще в 1962 году два советских физика — Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн. Это была статья «К вопросу об обнаружении гравитационных волн малых частот».

В интервью Zelenograd.ru Владислав Иванович рассказал, как работает гравитация и что значит гравиметрия, о связи научной интуиции и гениальности, объяснил, что дают современные методы детектирования гравитационных волн астрономии, и какие перспективы ждут это направление в будущем.

— Можно ли объяснить «на пальцах», как работает гравитация?

 — Это не такой простой вопрос, как кажется. Если говорить серьезно, то на него до сих пор нет четкого ответа.

Сначала Ньютон открыл закон, что две массы притягиваются с некой силой. Тут возник очень тонкий вопрос: а что такое «масса»? На него только недавно, если брать исторический масштаб, дали ответ — открыли бозон Хиггса, элементарную частицу, которая ответственна за массу. Теперь мы можем дать ответ, что такое «масса».

Другой очень сложный вопрос — как взаимодействуют эти частицы? Первым ответ на него в 1916 году дал Эйнштейн, когда сформулировал общую теорию относительности. Он задался следующим вопросом. Вот мы с вами живем на Земле, мы знаем законы, мы эти законы проверили, и опыт их подтверждает, что они правильные, и мы им верим. Спрашивается, а на других планетах или в других вселенных такие же законы как у нас или другие? Наверно, такие же. А может, они немножко другие? И вообще, как все устроено, как устроена вселенная? Притягиваются два тела, а дальше что? Какие законы?

И вот здесь гениальность Эйнштейна состоит в том, что он нашел ответ, который сегодня является общепринятым. Оказывается, что геометрия пространства и времени определяется находящейся в ней массой и ее движением и они взаимосвязаны. И вот где-то на этом пути есть ответ, что такое тяготение, что такое гравитационные волны. Все это — в рамках общей теории относительности Эйнштейна.

— Многие ученые говорят о важной роли интуиции в науке, что это значит?

— Вы задали еще более сложный вопрос, поскольку это нематериальная вещь. Это вообще настолько серьезно, что я приведу несколько примеров, чтобы ответить на него.

Трое наших ученых — академики И.Е.Тамм, П.A.Черенков и И.M.Франк — получили Нобелевскую премию за Черенковское излучение в 1958 году. Что это? Если взять электрон, заряженную частицу, и заставить ее двигаться в среде со скоростью больше, чем скорость света в данной среде, то частица будет излучать электромагнитные волны. В этом суть и простой смысл эффекта Вавилова-Черенкова.

Когда Игорь Евгеньевич Тамм приехал в Швецию на вручение Нобелевской премии, то, готовясь к своему выступлению, он прочитал другие работы по этой же теме. И обнаружил среди них ту, которая была написана в 1904 году неким Зоммерфельдом.

Кто такой Арнольд Зоммерфельд? Немец, известный физик, уровня поменьше, конечно, чем Ландау, но все знал про физику, написал несколько томов. Вообще в мире есть два издания, где все про физику написано правильно: это 12 томов Ландау и Лифшица, и книги Зоммерфельда в Германии.

Так вот, Зоммерфельд в 1904 году решал такую задачу — что, если электрон будет двигаться со скоростью больше, чем скорость света? И он получил формулу, которая показывает, что он должен излучать электромагнитные волны.

— То есть несколько человек приходят к одному и тому же выводу независимо друг от друга?

— Да, он получил такой же ответ. Но в 1905 году вышла специальная теория относительности Альберта Эйнштейна, где сказано, что ни одна частица не может двигаться со скоростью больше, чем скорость света. Поэтому работа Зоммерфельда была признана неправильной, потому что исходная предпосылка была неверна.

Когда было объявлено о получении Нобелевской премии, Зоммерфельд был жив и написал письмо Тамму. Я был на семинаре, где Тамм зачитывал это письмо. Зоммерфельд писал следующее: «Дорогой профессор, если в формулу, которую я получил в 1904 году, вместо скорости света „с“ подставить „с/n“, где „n“ — показатель преломления среды, а n>1, то наша с вами формула совпадает».

Но такой великий физик как Зоммерфельд не мог сообразить в течение полувека, что такая подстановка снимает противоречия с теории относительности Эйнштейна. Он мог бы быть сам прародителем открытия эффекта Вавилова-Черенкова, и получил бы Нобеля. Но интуиции не хватило.

Возьмем другой пример. Эрнст Мах — ученый, гидродинамик, философ, и так далее, по имени которого назвали «М число», «число Маха». Владимир Владимирович Путин, например, говорит, что мы можем создать ракету, которая движется с махом 10, с махом 20 — это когда скорость тела (ракеты) превышает скорость звука. Когда тело в воздухе движется со скоростью больше, чем скорость звука, то есть чем 330 м/с, то оно излучает звуковые волн. Это называется «излучение Маха», или «маховое», «конус Маха», «М число» и так далее. То есть и в гидродинамике есть аналог эффекта Вавилова-Черенкова.

Спрашивается: а может, это вообще некий общий закон природы? Да. Он есть во многих задачах по физике плазмы. Все плазменные неустойчивости связаны с эффектом типа Вавилова-Черенкова. Но возникает естественный вопрос — а может быть, кто-нибудь и до Маха, и до Зоммерфельда нашел такой закон? По моей просьбе мой аспирант Юра Мухортов (ВНИИФТРИ) специально занимался этим исследованием, и он нашел ответ. Некто Хевисайд еще в 1898 или 1897 году нашел это общее решение, которое показало, что если частица движется со сверхволновой скоростью, то она неизбежно излучает волны. Вот вам и ответ на вопрос. Многие ученые проходят мимо, но не хватает небольшого скачка, чтобы переступить.

— Чтобы это стало гениальным?

 — Да, в этом-то все и дело. Это и есть интуиция.

Вот история, которую рассказывал Виталий Лазаревич Гинзбург. У него есть работа по сверхпроводимости, созданная совместно с Ландау, за которую он позже получил Нобелевскую премию. И когда Гинзбурга спрашивали: «У вас в статье обозначено, что заряд электрона равен е*. И еще есть примечание: е* - пока нет оснований считать, что е* будет равно заряду электрона. Почему?». Гинзбург рассказывал: «Когда мы писали статью, я спрашиваю: «Дау, а что еще может быть кроме заряда электрона?» Дау поморщился и сказал: «Ты знаешь, давай это как примечание напишем. Напиши е*».

Прошло еще лет шесть-семь, и вышла знаменитая работа Бардина, Шриффера и Купера про микроскопическую теорию сверхпроводимости, где были те же самые формулы, что были у Гинзбурга с Ландау, а е* = 2е. Это была так называемая куперовская пара.

Я считаю, что Ландау — это величайший физик на планете. Я был свидетелем многих поразительных его выступлений. Он интуитивно считал, что нет глубоких оснований считать, что переносчиком заряда в сверхпроводниках будет электрон.

Впоследствии оказалось, что это будет куперовская пара — два электрона. Они связываются между собой и движутся как единое целое. Поэтому появилось е*. Вы можете найти это в статье Гинзбурга 1957 года. Это к вопросу о том, что такое интуиция. Одних она подводит, а гениальных людей, наоборот, нацеливает.

— Часто ли случается, что теория, выдвинутая учеными, может получить подтверждение только спустя десятилетия — это связано с техническим прогрессом, возможностями, который он дает? То, как, собственно, произошло и в вашем случае. 

— Тут есть два аспекта. Бывают случаи, когда эксперимент вопиет и говорит «мы видим», а физики не могут объяснить. Таких примеров в науке очень много. Обратный случай, это когда теоретик выдвигает идею в силу каких-то первопринципов, и приходит к ней логически или дедуктивным методом, и потом возникает вопрос: прав он или не прав? Вот тут нужен эксперимент.

Но иногда бывает так, что мы зашли в тупик, вот как в ситуации с бозоном Хиггса. Все укладывается, но вдруг выясняется, что мы не можем объяснить, что такое «масса». Приходит теоретик Хиггс, который говорит, что это будет такая частица, которая несет массу, но как это проверить? Для этого нужно две частицы с большой энергией, с большой скоростью столкнуть между собой, чтобы в процессе этого столкновения, если энергия больше некоторого порога, возник бозон Хиггса. Для того чтобы это сделать, строят огромный инструмент — коллайдер и получают ответ: да, есть такое. Хиггс получил Нобелевскую премию за эту идею.

— Кстати, об идее. Вопрос о конкуренции в науке — Нобелевскую премию получили ученые, которые действовали на результате ваших разработок. Почему дали не вам, а американцам? 

— Я не могу дать исчерпывающий ответ на этот вопрос. Это вопрос не ко мне. Я могу лишь сказать следующее, что они получили правильно и заслуженно, потому что Нобелевский комитет так сформулировал задачу, по сухому остатку премия присуждена за реализацию идеи, а не за саму идею. Почему именно так — это вопрос к Нобелевскому комитету. Тут и политика, и много других аспектов.

— Сейчас появились новые приборы для детектирования гравитационных волн, и в будущем они будут совершенствоваться. Что нового с их помощью мы можем узнать о Вселенной, в отличии от традиционных методов наблюдения, принятых в астрономии. Есть ли уже какие-то значимые открытия?

— Вся информация, которая к нам приходит, приходит с помощью света. Свет — это электромагнитные волны разного диапазона, будь то рентген, гамма-излучение, радиоволны. Свет — то, что мы воспринимаем нашей системой зрения.

Что дают гравитационные волны? Это другой источник, другой тип волны. Она существенно отличается от электромагнитной, но эта волна тоже приносит информацию. Поэтому, изучая их, мы можем ответить на многие вопросы, на которые раньше не могли ответить с помощью получения информации от световых волн.

Например, черные дыры — это такая тяжелая система, тяжелая настолько, что свет не может оттуда убежать, потому что черная дыра захватывает буквально все, и поэтому мы ее не видим.

Черная дыра — это невидимое образование, но гравитационные волны оно должно излучать. Поэтому впервые с помощью гравитационных волн были обнаружены черные дыры, и появилась возможность описать их свойства. Они оказались очень похожи на то, что было описано ранее в исследованиях наших советских ученых (Якова Борисовича Зельдовича и многих-многих других). Так что это важно.

— Получается, это дополнительный инструмент?

— Нет, не только инструмент. Это новое окно (метод, если хотите, способ) получения информации. Они нам рассказывают, что происходило во вселенной на расстоянии примерно полтора миллиарда световых лет и более.

Сегодня появился такой термин — «гравитационно-волновая астрономия». Буквально недавно я добился того, что Российский фонд фундаментальных исследований объявил программу по гравитационно-волновой астрономии. И сейчас ученые пишут свои предложения, чтобы получить финансирование на исследования в этом направлении.

— Ученые занимаются высокой наукой. В процессе решения сложных задач развиваются технологии, прикладные науки. Какие интересные технологии были развиты, когда создавали детекторы LIGO, Virgo? Были ли какие-то инженерные открытия, прорывы?

— Да, и очень много, вне всякого сомнения. Дело в том, что в процессе разработки и создания этих уникальных устройств был сделан серьезный шаг в метрологии, речь идет о фантастической точности. Представьте себе, что такое размер протона. Размер этой элементарной частицы — 10^-13 см, то есть 1/10 000 000 000 000. Измерена сегодня 1/1 000 этой величины.

Как можно измерить протон с погрешностью 1/1 000? Тут нужно вносить корректировку: что такое «измерения», что такое «положение» и так далее. Все это как раз вопросы метрологии и ее развития.

Разработаны новые методы определения многих параметров систем, когда нет полной достоверной информации об объекте, это касается всех вопросов по обработке результатов измерения. И это также нужно для метрологии, потому что иногда нужно давать ответ в вероятностном виде. Когда вас спрашивают, каков размер, скажем, вот этого карандаша, то вы должны дать ответ в каком-то интервале, с какой-то вероятностью. И таких примеров очень много.

В процессе разработки и создания Virgo, LIGO, появилась уникальная технология по созданию зеркал с высоким коэффициентом отражения. И это важно для многих приложений.

Много технологических решений появилось в областях, связанных с лазерной и оптической техникой. К примеру, это касается устранения вибрации (виброизоляция). Очень много всего было сделано.

В целом важно то, что в процессе создания уникальных приборов типа LIGO VIRGO, научились измерять гравитационный потенциал с небывалой ранее точностью и эти методы и технологии имеют важное значение для земных задач, а именно, измерению гравитационного потенциала Земли, для целей навигации, то есть определения своего местоположения на планете Земля. Это гравиметрия. Понимаете, беда в том, что в советское время, когда кончилась советская эпоха, вся гравиметрия, которая была в СССР, была разрушена, и сейчас нужно её создавать фактически заново.

Работы в этой области сегодня начали и мы во Всероссийском НИИ физико-технических радиотехнических измерений, в котором сегодня существует лучшая в России экспериментальная база, которая была создана при разработке Государственного эталона времени и частоты; имеются два лазерных интерферометра с длиной плеч 60 метров, создается квантовый гравиметр на основе холодных атомов. Имеются, разработанные во ВНИИФТРИ перевозимые, мобильные эталоны времени и частоты, которые очень важны для решения задач гравиметрии. ВНИИФТРИ здесь играет важную роль, собрав в институте специалистов в этой области и поставив перед ними соответствующие задачи. Это, конечно, заслуга директора, Сергея Ивановича, поскольку эти работы сегодня финансируются из средств института.

Такая «начальная база» превосходит ту, с чего начинали американцы при создании LIGO. Сегодня ВНИИФТРИ имеет наилучшую в стране базу для того, чтобы это начать делать. Вот и всё.

— Поскольку гравитационные волны — это возможность передавать информацию, сможем ли мы в каком-то обозримом будущем использовать их в качестве передатчика сами?

— Для этого нужно научиться искусственно генерировать эти волны и принимать. Но надежда есть. Люди думают — это непростая задача, и уже есть идеи по этому направлению. Будем работать. Я думаю, что за пятьдесят лет точно что-то появится.

Марина Федякова