Иногда зеркало, отражающее 99,9999% света, недостаточно хорошо
Гравитационно-волновая лазерная интерферометрическая обсерватория может чувствовать движения в тысячи раз меньше, чем ширина атома, отчасти благодаря почти идеальным зеркалам прибора. Зеркала отталкивают лазерные лучи туда и обратно вниз по L-образным детекторам LIGO. Изменения относительной длины обнаруживаются при прохождении гравитационной волны мимо Земли, растягивающей и сжимающей пространство-время.
Они не похожи на обычные зеркала. В зеркале вашей ванной комнаты свет отражается от металла, перед которым в качестве защиты находится стекло. Но 100-киловаттный лазер LIGO поджарит любой металл. Вместо этого, его зеркала сделаны полностью из стекла.
Обычно стекло не отражает. Металл отражает, потому что световые волны трясут его свободно движущиеся электроны, которые в процессе поглощают и воспроизводят фотоны. Стекло, напротив, пропускает большую часть света, потому что его электроны остаются в пределах своих атомов и мало взаимодействуют со светом. Но LIGO делает зеркала из стекла, используя трюк, впервые изобретенный в 1939 году. Зеркала состоят из 70 слоев стекла, которые чередуются между оксидным стеклом кремния (или "кремнеземом", материалом большинства стекол) и пенттоксидом тантала. Каждый слой отражает небольшую часть света. Толщина каждого слоя выбирается с изысканной точностью. В результате зеркало даёт 99,9999% отражения.
Зеркала LIGO несовершенны из-за странной формы шума, который накапливается в стекле и является загадочном веществе, природа которого до сих пор неизвестна. Стекло состоит из атомов или молекул, которые бессистемно двигаются так же, как и в жидкости, но в данном случае по каким-то причинам застряли и двигаться не способны. Физики полагают, что шум, присущий стеклу, исходит от небольших скоплений атомов, переключающихся между двумя различными конфигурациями. Эти "двухуровневые системы" и изменяют расстояние, которое лазерный свет проходит между зеркалами LIGO, так как поверхность каждого стеклянного слоя смещается на величину, равную ширине атома.
"LIGO на данный момент буквально ограничена этим", - сказала Фрэнсис Хеллман, специалист по стеклу из Калифорнийского университета в Беркли и член научной группы LIGO, состоящей из 1000 человек. Несмотря на "поразительную виброизоляцию, демпфирование и остальные всевозможные вещи, которые привели к необычайной чувствительности", сказала Хеллман, "единственное, от чего они не смогли избавиться, это от этих забавных маленьких атомных движений в зеркальном покрытии". Учитывая тысячную амплитуду гравитационных волн, которую ищет LIGO, атомные движения являются большой проблемой.
Но есть надежда. Опираясь на последние теоретические открытия о природе стекла, группа Хеллман и другие гонятся за более совершенным стеклом для использования в зеркалах LIGO. Продвинутый LIGO Plus, следующая итерация эксперимента, запланированная на 2024 год, потребует зеркал, которые будут менее чем наполовину такими же шумными, как нынешние. В сочетании с другими усовершенствованиями это улучшение приведет к тому, что гравитационные волны будут обнаруживаться в семь раз чаще, примерно каждые несколько часов.
Исследователи уже нашли несколько кандидатов, которые могут удовлетворить требованиям дизайна, но они все еще надеются обнаружить явного победителя. "Долгое время это был случайный подход", - сказал Иен Мартин, физик по стеклу из Университета Глазго, который также входит в состав LIGO. "Теперь мы в состоянии быть гораздо более ориентированными в наших поисках".
Группа Хеллман ищет что-то, приближающееся к "идеальному стеклу", гипотетической фазе материи, предсказанной десятилетия назад. Молекулы в идеальном стекле теоретически собраны вместе в максимально плотном случайном расположении, в совершенно стабильном состоянии, в котором вообще нет двухуровневых систем. Идеальное стекло, если оно существует, объяснило бы то, что происходит во всем стекле; это было бы то состояние, которого пытаются достичь молекулы в обычном стекле.
В 2007 году поиски идеального стекла заставили физика Марка Эдигера изобрести новую технику изготовления стекла, которая позволяет получить гораздо более стабильное стекло, чем раньше. Вместо того, чтобы охлаждать жидкость до тех пор, пока она не затвердеет, как это делали стеклодувщики в течение 4000 лет, Эдигер и его команда сбросили на поверхность молекулы одну за другой, как будто это были кусочки тетриса, что позволило им гораздо более прочно там закрепиться. Эксперимент, проведенный в 2014 году Хеллман и её командой из Беркли, показал, что "ультра-устойчивое" кремниевое стекло, созданное таким образом, имеет гораздо меньше двухуровневых систем, чем обычное стекло.
