Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде

BICEP: требуется сборка

Чтобы построить телескоп BICEP, нам потребовалось пять лет и 2 млн долларов. Вы тоже можете провести эксперимент с поляриметром — для этого на закате наденьте поляризационные солнцезащитные очки и поворачивайтесь вокруг себя, стоя на месте и глядя на зенит. Поскольку при рассеянии на молекулах воздуха свет поляризуется, вы заметите, что за один полный оборот яркость неба дважды меняется со светлой на темную и наоборот (рис. 42). Такое двукратное изменение яркости является характерным признаком поляризации.
Как и обычные солнцезащитные очки, все поляриметры включают четыре элемента: оптическую систему (у вас это хрусталик глаза), поляризационный фильтр, разделяющий вертикально и горизонтально поляризованный свет (ваши очки), детектор (сетчатка глаза) и поляризационный модулятор (ваши ноги, позволяющие вам вращаться), благодаря ему интенсивность света, проходящего через каждый поляризационный фильтр, меняется предсказуемо.
Все эти четыре компонента были и в BICEP. Его оптическая система состояла из 30-сантиметровых линз, изготовленных из полиэтилена высокой плотности (из подобного материала делают пластиковые бутыли для молока). Хотя нам эти контейнеры кажутся непрозрачными, они почти идеально пропускают микроволны. Две линзы обеспечивали четкую видимость в поле зрения порядка 20°, что эквивалентно двум кулакам, если держать их на расстоянии вытянутой руки.

 

 

Поляризационные фильтры и детекторы были объединены в так называемые поляризационно-чувствительные болометры (рис. 43). BICEP не требовались отдельные поляризационные очки и сетчатка, поскольку сами его детекторы предназначались для улавливания поляризации света. Каждый пиксель BICEP содержал два болометра: один для горизонтальной поляризации, другой — для вертикальной.
На самом деле наша сетчатка глаза состоит не из одного «детектора». Она насчитывает около 6 млн колбочковидных зрительных клеток, улавливающих частоту света и способных различать миллионы цветов, и 100 млн палочковидных зрительных клеток, позволяющих нам видеть самые слабые источники света, даже один фотон. Как и человеческая сетчатка с ее миллионами колбочек и палочек, «сетчатка» BICEP имела большое количество детекторов. Конечно, по сравнению с человеческим глазом или даже камерой смартфона количество детекторов BICEP — 98 штук— казалось жалким. Но они были способны уловить, если нам повезет, следы первичных гравитационных волн в самом древнем свете во Вселенной. Такого не мог сделать ни один самый продвинутый смартфон.

 

 

Чтобы уловить фотоны реликтового фона, детекторы требовалось охладить до температуры на 0,25 °C выше абсолютного нуля. И здесь лилипутские размеры BICEP давали ему огромное преимущество. Благодаря небольшому размеру — меньше 1,5 м в длину — весь телескоп можно было поместить внутрь большого криостата. Этот криостат представлял собой цилиндрический сосуд, внутри которого были размещены все оптические элементы и детекторы BICEP и поддерживалось давление в миллион раз ниже, чем на уровне моря (рис. 44).
Поддержание вакуума внутри криостатной трубы телескопа имело решающее значение; если бы внутри осталось слишком много молекул воздуха, они бы забирали тепло со стенок и переносили его на детекторы, делая их бесполезными. Внутри трубы находились две камеры с жидким гелием и специальное охлаждающее устройство, в котором использовалась жидкая форма изотопа гелия — жидкий гелий-3. Обычный жидкий гелий позволял охладить BICEP до 3 кельвинов, а гелий-3 помогал достичь температуры в 0,25 кельвина. Впервые в человеческой истории мы охладили весь телескоп до температуры межзвездной среды. Галилей, который кое-что знал о термометрии, несомненно, это бы оценил.
Наконец, четвертым ключевым компонентом всех поляриметров является поляризационный модулятор. В BICEP эту функцию выполняла станина весом больше 4500 кг, которая позволяла управлять сложными вращениями телескопа с фантастической точностью. Больше года мы собирали и разбирали эту конструкцию и подвергали всевозможным тестам, чтобы убедиться в ее безупречной работе (рис. 45). Нам нужно было отладить все системы BICEP в Пасадене — здесь это сделать было гораздо проще, чем в том удаленном от цивилизации месте, где телескопу предстояло выполнять свою работу.

 

 

Проект BICEP был экспериментальным, а экспериментов, в которых все идет гладко, не бывает. Собрав новый инструмент, мы, экспериментаторы, тратим огромное количество времени на то, чтобы понять его несовершенства и свести к минимуму «погрешности», хотя этот термин плохо отражает суть работы.

 

 

Погрешности — это не ошибки. Напротив, они неизбежный побочный результат экспериментов в нашем несовершенном, зашумленном мире. Погрешность отражает разницу между полученным результатом и тем, который показал бы совершенный инструмент (его значение вам неизвестно). Неопределенность измерений — это диапазон, который предположительно содержит правильное количественное значение. После того как эксперимент запущен, экспериментаторы оценивают уровень достоверности своих измерений, определяющий вероятность того, что истинное значение измеряемой величины, т. е. то, что было бы получено при использовании совершенного инструмента, попадает в заданные границы неопределенности.
Следует выделить два основных типа погрешностей. Первый — инструментальная систематическая погрешность. Например, термометр, который постоянно показывает на 10° выше, необходимо корректировать, откалибровать, например сравнив его показания с показаниями другого. После этого полученную разницу можно просто вычитать. Второй тип погрешностей называется шумом; он обусловлен случайными вариациями результатов измерений. К счастью, шум ведет себя предсказуемым образом и может быть сведен к минимуму путем многократных повторных измерений для получения усредненного результата.
Чем лучше организован эксперимент, тем он устойчивее к систематическим ошибкам и шуму. Потенциальных источников искажений великое множество: они могут исходить и от самого инструмента, и от условий. Систематические погрешности связаны с измерениями, с конструкцией инструмента, с методом анализа данных или физическими факторами. Экспериментаторы стараются создать инструмент с минимальным уровнем случайных помех, а потом бóльшую часть времени тратят на устранение систематических погрешностей. Их цель — максимизировать как прецизионность (с учетом всех случайных помех), так и достоверность своих измерений (близость результатов к истинному значению). Обратите внимание, что прецизионность не подразумевает достоверности, и наоборот.
Говоря о качестве измерений, экспериментаторы используют величину, называемую отношением сигнал/шум, сокращенно С/Ш. С/Ш показывает, насколько значимым является измерение, т. е. насколько мы уверены в том, что оно отражает реальный сигнал, а не просто случайное колебание. Низкое значение С/Ш указывает на низкую уверенность в измеренном сигнале, вплоть до того, что это может быть просто статистическая случайность. Высокое значение С/Ш указывает на высокую уверенность в реальности сигнала. Как правило, чтобы заявить об открытии нового астрономического феномена, мощность сигнала должна быть как минимум в три раза выше мощности шума. Так было у Пензиаса и Уилсона: они измерили новый сигнал с температурой в 3,5 кельвина — космическое микроволновое фоновое излучение — с неопределенностью около 1 кельвина. Это означало, что их С/Ш составляло 3,5. Результаты были быстро подтверждены, поскольку другие экспериментаторы зарегистрировали сопоставимые сигналы.
Однако напомним, что Пензиас и Уилсон не пытались ничего доказать и ничего не искали. Мы же, в проекте BICEP, искали конкретный сигнал, хотя и не знали, сможем ли его уловить и существует ли он вообще. Мы ничего не знали о нашем сигнале. Он вполне мог оказаться равным нулю, а нулевой сигнал всегда дает С/Ш = 0.
Показать оглавление

Комментариев: 0

Оставить комментарий