Сначала сократим расстояние, то есть сделаем масштаб по вертикали неравномерным. Сетка после этого все еще будет прямоугольной. После этого останется учесть замедление времени — для этого нам придется изогнуть сетку так, чтобы масштаб оси времени внизу отличался от масштаба времени наверху. Итоговый результат должен быть таким, чтобы траектория падающего тела, нарисованная в искривленном пространстве-времени, стала прямой линией.
Гравитационные волны, порождаемые, например, вращающимися друг относительно друга массами, представляют собой локальные искривления пространства-времени, распространяющиеся, как считается, со скоростью света. Если на пути такого возмущения окажется какое-либо материальное тело, то оно начнет сжиматься и растягиваться в такт колебаниям гравитационной волны. Проблема в том, что эти колебания чрезвычайно малы. Например, при прохождении гравитационной волны, зафиксированной в сентябре 2015 года, относительное изменение длины плеча интерферометра составило порядка 10–21. Чтобы представить себе малость этой величины, вообразите, что вы измеряете расстояние от Земли до Луны. Так вот, 10–21 от этого расстояния составит меньше одной миллиардной миллиметра — в тысячу раз меньше размера атома. Теперь вы можете представить, насколько технически сложной была задача регистрации гравитационных волн!
Сначала гравитационные волны пытались ловить, измеряя деформации большого металлического цилиндра. Первый детектор подобного типа был построен Джозефом Вебером в 1960 году. Но, как вы уже, вероятно, смогли догадаться, обнаружить столь малые деформации ему не удалось.
Всего через два года после первых опытов Вебера, в 1962 году, два советских физика, Михаил Герценштейн и Владислав Пусто-войт, предложили принципиально иной способ регистрации сверхмалых смещений, используя для этого лазерный интерферометр. Луч света в интерферометре огромное количество раз путешествует туда и обратно между двумя зеркалами, в результате чего сдвиг фазы света, вызванный смещением одного из зеркал, многократно нарастает. Именно этот способ и был использован в решающем эксперименте. Зависимость сдвига фазы света от времени совпала с расчетом того, как он должен себя вести, находясь в поле гравитационной волны, порожденной в процессе слияния двух черных дыр. Это как если бы, например, никто никогда не слышал звука скрипки, но у исследователей был бы чертеж скрипки и они бы просчитали, какой звук, с каким тембром, с какими гармониками она должна издавать. После этого кто-то принес бы запись звука и его смогли бы идентифицировать именно как звук скрипки, а не альта и не виолончели, и тем более не трубы или рояля.
Черные дыры — очень простые объекты. Эволюция двойной системы черных дыр до момента слияния занимает миллиарды лет, за это время их орбиты приближаются к круговым, и перед последним актом у нас остаются только два параметра: массы черных дыр. Продолжая аналогию с музыкальными инструментами, сумма (M1 + М2) определяет, что это за инструмент: скрипка, альт, виолончель или контрабас, а отношение (M1/M2) определяет, какая струна звучит.
По форме полученной кривой, по ее временному поведению, были вычислены массы черных дыр, а затем — расстояние до точки события, которое оказалось равным 1,3 млрд световых лет, и примерное направление прихода сигнала. Решение уравнений общей теории относительности для так называемых «слабых» гравитационных волн — а именно они излучаются в описанном процессе — дает скорость их распространения, равную скорости света.
В существовании гравитационных волн уже давно никто не сомневался, потому что за истекшие годы было открыто несколько космических объектов, например двойных пульсаров, поведение которых полностью объясняется процессом излучения гравитационных волн. Вопрос стоял только в том, чтобы наконец поставить точку в этой задаче, зафиксировав гравитационные волны в наземной лаборатории. Возвращаясь к аналогиям: еще Галилей предсказывал отклонение снарядов силой Кориолиса (понятно, что он не называл ее этим словосочетанием). Но кучность стрельбы тогдашних орудий и скорости ядер не позволяли экспериментально проверить это предсказание. Спустя сто лет уже никто не сомневался в существовании отклоняющей силы, но обнаружить ее экспериментально по-прежнему не удавалось. Когда же наконец это удалось, это было уже не открытие, а лишь формальное подтверждение давно признаваемого факта. Примерно то же самое произошло и с обнаружением гравитационных волн.