Оптические Резонаторы: Грандиозный Прорыв или Заблуждение в Детектировании Гравитационных Волн?

Оптические резонаторы для детектирования гравитационных волн: Многообещающая идея или фундаментальное заблуждение?

[НЬЮ-ЙОРК/ЛОНДОН, 15 октября 2025] Новое предложение по обнаружению гравитационных волн, основанное на ультрастабильных оптических резонаторах и атомных часах, способное исследовать ранее недоступный миллигерцевый диапазон частот (от 10⁻⁵ до 1 Гц), вызвало оживлённые дебаты в научной среде. Если его работоспособность подтвердится, такой подход обещает перевернуть гравитационно-волновую астрономию, открыв «доступ к ранее недоступному сегменту гравитационного спектра», как отмечают его авторы [G. Barontini, X. Calmet, V. Guarrera, A. Smith, A. Vecchio, "Detecting milli-Hz gravitational waves with optical resonators", Classical and Quantum Gravity, 2025, 42 20LT01]. Тем не менее, ряд экспертов высказывает серьёзные сомнения в отношении его принципиальной осуществимости.

Проект, представленный учёными из Бирмингемского и Сассекского университетов в статье, опубликованной 19 сентября 2025 года на arXiv:2509.15841 и затем принявшей участие в Classical and Quantum Gravity, обещает компактный детектор, который, в отличие от массивных интерферометров LIGO и Virgo, способен «поместиться на лабораторном столе». Это открывает возможность создания глобальной сети для фиксирования источников гравитационных волн, таких как слияния сверхмассивных чёрных дыр и двойные системы белых карликов, недоступных для текущих наземных обсерваторий. Космическая миссия LISA, нацеленная на тот же диапазон, планируется к запуску только в 2030-х годах.

Суть предложения и его предыстория

По словам авторов, новый резонаторный детектор использует «технологии, изначально разработанные для оптических атомных часов», где ультраустойчивые оптические полости позволяют измерять «крошечные сдвиги фазы лазерного излучения, вызванные прохождением гравитационной волны». Ключевое отличие от детекторов типа LIGO, где гравитационные волны смещают подвижные зеркала, заключается в применении жёстких резонаторов. В них, как утверждается, гравитационные волны не способны переместить зеркала, а вместо этого «вызывают сдвиг света по частоте», который фиксируется точным измерением частоты света на выходе.

Концепция низкочастотного оптического резонанса для регистрации высокочастотных гравитационных волн не нова. Ещё в 2015 году А.А. Есаков, А.Н. Морозов, С.Е. Табалин и И.В. Фомин из МГТУ им. Н.Э. Баумана опубликовали работу «Применение низкочастотного оптического резонанса для регистрации высокочастотных гравитационных волн» в журнале «Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия «Естественные науки»». В ней авторы также предложили аналогичный подход, заявив, что «преимущество предложенного варианта лазерной интерференционной гравитационной антенны - отсутствие необходимости размещения зеркал интерферометра на свободных массах». Согласно их оценкам, при длине резонатора 100 м, мощности лазера 10³ Вт и времени наблюдения 116 суток, минимально обнаруживаемая спектральная плотность флуктуаций гравитационно-волнового возмущения составляет 3,5 · 10⁻⁴⁹ с, что для циклической частоты Ω ≈ 1,5 · 10⁵ с⁻¹ свидетельствует о потенциально высокой чувствительности.

Анализ принципа действия: Две интерпретации

Дискуссия вокруг механизма работы гравитационно-волновых детекторов, в том числе и предлагаемого, часто сводится к выбору системы отсчёта.

1. Локальный наблюдатель (как в LIGO): В этой системе отсчёта гравитационные волны смещают «свободные» зеркала, действуя как приливная сила, и изменяют длины плеч детектора. Свет, проходящий через интерферометр, накапливает фазу в изменённой длине, и это фазовое изменение фиксируется. Для детекторов, подобных LIGO, где длина гравитационной волны сопоставима с длиной interferometer, необходимо учитывать поправку на гравитационное красное смещение.
2. Свет как объект воздействия: Альтернативная точка зрения предполагает, что зеркала жёстко закреплены и не смещаются. В этой системе отсчёта гравитационная волна воздействует напрямую на свет, меняя его частоту или фазу. Такая необычная координатная система, хотя и сложна для интерпретации в контексте земной лаборатории, может упростить некоторые расчёты.

Обе эти интерпретации, как правило, должны вести к одинаковым результатам вычислений для стандартных интерферометров.

Критический взгляд: Жёстко закреплённые зеркала

Автор исходной публикации выразил серьёзные сомнения в отношении предложенной концепции, заявив: «Я считаю, что они ошибаются». Его основной аргумент построен на анализе случая с жёстко закреплёнными зеркалами в контексте низкочастотных гравитационных волн (когда длина волны значительно превышает размер резонатора):

1. Смещение зеркал: Если расстояние между зеркалами не меняется по условию задачи, основной вклад от их смещения равен нулю. Эффект красного смещения, присутствующий в таком случае, является эффектом второго порядка малости для низких частот и, согласно логике, не должен существенно влиять на детектирование.
2. Воздействие на свет и зеркала: В системе координат, где «свободные» зеркала «прибиты» к фиксированным точкам, гравитационная волна меняет расстояние между ними. Однако, если зеркала жёстко связаны, они не могут расширяться вместе с пространством и, следовательно, будут смещаться относительно этой системы координат. Это приводит к двум взаимодействующим эффектам: прямому изменению фазы света от гравитационной волны и изменению расстояния между зеркалами. В результате, для низких частот эти эффекты «зануляются», что сводит на нет детектируемый сигнал.

Таким образом, если зеркала действительно жёстко закреплены, эффект, который пытаются измерить исследователи из Бирмингемского и Сассекского университетов, может быть фундаментально компенсирован. Переписка с авторами статьи, инициированная критиком, способна прояснить этот момент.

Перспективы и вопросы без ответов

Несмотря на высказанные опасения, сама работа Barontini et al. (2025) подробно описывает расчёты чувствительности, «научный охват» предлагаемого детектора и анализ источников шума, таких как броуновский тепловой шум и сейсмические колебания. Авторы утверждают, что ультрастабильные полости Фабри-Перо, применяемые в атомных часах, обладают достаточной чувствительностью для работы в диапазоне 10⁻⁵-1 Гц. Они также излагают свою методологию, основанную на инвариантной относительно калибровки формулировке, где измеряется изменение фазы света, напрямую связанное с тензором Римана.

«Мы показываем, что современные оптические резонаторы имеют достаточную чувствительность, чтобы их можно было легко использовать для поиска гравитационных волн в среднечастотном диапазоне», - утверждают авторы работы. - «Наша работа предполагает, что наземное детектирование гравитационных волн в миллигерцевом диапазоне потенциально достижимо с использованием существующих технологий».

Предложение Barontini et al. не только открывает потенциальный путь к обнаружению ранее недоступных источников, но и ставит фундаментальные вопросы о принципах детектирования гравитационных волн. Если критика относительно «зануления» эффекта для жёстко закреплённого зеркального устройства окажется обоснованной, это может поставить под сомнение всю концепцию. Однако, если предложенный метод окажется работоспособным, его компактность и потенциально относительно низкая стоимость могут существенно ускорить расширение гравитационно-волновой сети, дополняя работу LIGO/Virgo и предвосхищая миссии вроде LISA. Дальнейшие теоретические расчёты и экспериментальные проверки будут необходимы для разрешения этой научной полемики.