40-letnie dążenie do udowodnienia racji Einsteina

14 września 2015 r. Rainer Weiss '55, PhD '62 rozpoczął pierwszy dzień swoich wakacji w Maine, robiąc to, co robi każdego ranka po śniadaniu, gdziekolwiek jest: sprawdzał logi eksperymentów pod kątem fali grawitacyjnej z interferometrem laserowym Obserwatorium (LIGO). Ogłoszenie, że cotygodniowe naprawy zaplanowane na następny dzień zostały odwołane, uderzyło Weissa, emerytowanego profesora fizyki, jako dziwne. Chwilę później lawina e-maili skierowała go na stronę internetową z obrazami, które wprawiły go w osłupienie: LIGO, instrument, który wymyślił cztery dekady wcześniej, zarejestrował sygnał podczas jednego z pierwszych testów po gruntownym ulepszeniu. Wrzasnął, przez co jego żona i syn uciekli. Potem zaczęło się niedowierzanie, mówi. Sygnał był zbyt duży i zbyt doskonały. Minęło kilka dni, zanim naprawdę zacząłem wierzyć, że to było prawdziwe wydarzenie.

Po miesiącach analiz i ponownego sprawdzania danych międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez naukowców z MIT i Caltech ogłosił w lutym, że sygnał pochodzi z dwóch masywnych czarnych dziur, które zderzyły się 1,3 miliarda lat temu. Ta kolizja wyzwoliła impuls mocy szacowany nawet na 100 razy większy od wszystkich gwiazd we wszechświecie, wywołując falowanie czasoprzestrzeni zarejestrowane przez LIGO. Było to pierwsze bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych, które Einstein przewidział sto lat temu.

Gdzie zaczyna się historia LIGO?
Zaczęło się tutaj w 1967 roku. Zostałem poproszony przez kierownika programu nauczania fizyki o poprowadzenie kursu z ogólnej teorii względności. Do roku 1967 ogólna teoria względności została przeniesiona na wydziały matematyki. Była to teoria grawitacji, ale była to głównie matematyka i w umysłach większości ludzi nie miała żadnego związku z fizyką. A to głównie dlatego, że eksperymenty, które miały to udowodnić, były tak trudne do wykonania – wszystkie te efekty, które przewidywała teoria Einsteina, były nieskończenie małe.

Einstein przyjrzał się liczbom i wymiarom, które znalazły się w jego równaniach dla fal grawitacyjnych i powiedział, że jest to tak małe, że nigdy nie będzie miało na nic wpływu i nikt nie może tego zmierzyć. A kiedy myślisz o czasach i technologii w 1916 roku, prawdopodobnie miał rację.

Wielką rzeczą, która wydarzyła się w ciągu ostatnich 100 lat, jest to, że ludzie odkryli w astronomii rzeczy, które bardzo różniły się od tego, co znali w 1916 roku – ciasno zwarte źródła [fal grawitacyjnych], niezwykle gęste, jak gwiazda neutronowa i czarne dziury. I była technologia do wykonywania precyzyjnych pomiarów, ponieważ mieliśmy lasery, masery, elektronikę, komputery i całą masę rzeczy, których ludzie nie mieli w 1916 roku.

Tak więc technologia i wiedza o wszechświecie umożliwiły, zanim się w to weszliśmy, kontemplować próby poszukiwania fal grawitacyjnych.

W latach sześćdziesiątych Joseph Weber z University of Maryland wpadł na pomysł, że być może technologia dotarła do punktu, w którym można było szukać fal grawitacyjnych, i wynalazł na to metodę. Wyobraził sobie rodzaj ksylofonu wykonanego z masywnych prętów rezonansowych. Spodziewał się, że nadejdzie fala grawitacyjna, pociągnie za jeden z prętów i ściśnie go, a gdy fala odejdzie, pozostawi puls, a przedmiot zadzwoni i będzie można go usłyszeć.

To był pierwszy pomysł, że powinieneś zrobić coś aktywnego, aby szukać fal grawitacyjnych. I twierdził, że dokonał odkrycia w latach sześćdziesiątych.

Kiedy prowadziłem mój kurs, studenci byli bardzo zainteresowani odkryciem, czym był [eksperyment Webera]. I będę z tobą szczery, za nic nie mogłem zrozumieć, co robił. Na tym polegał problem. Ponieważ całkowicie sprzeciwiało się wszelkim intuicjom, jakie teraz rozwinąłem na temat ogólnej teorii względności. Nie mogłem tego wytłumaczyć uczniom.

To był wtedy mój dylemat i wtedy powstał wynalazek. Powiedziałem: Jaka jest najprostsza rzecz, jaka przychodzi mi do głowy, aby pokazać tym studentom, że można wykryć wpływ fali grawitacyjnej?

Oczywistą rzeczą dla mnie było to, że weźmy swobodnie unoszące się w kosmosie masy i zmierzmy czas, jaki potrzebuje światło na podróż między nimi. Obecność fali grawitacyjnej zmieniłaby się w tym czasie. Wykorzystując różnicę czasu można zmierzyć amplitudę fali. Równania dla tego procesu są łatwe do napisania i większość uczniów w klasie potrafi to zrobić. Zapomnij na chwilę, że był to eksperyment myślowy wymagający niemożliwie precyzyjnych zegarów. Zasada była w porządku.

Symulacja zderzenia czarnych dziur, które wytworzyły fale grawitacyjne wykryte przez LIGO 1 września 2015 roku.

Nie myślałem o tym dużo więcej, aż do około roku później, kiedy zacząłem zdawać sobie sprawę z eksperymentów Webera: nikt nie otrzymał odpowiedzi, którą on otrzymywał. Przedstawił ogromne i potężne twierdzenie. I zacząłem zdawać sobie sprawę, że może to było złe, a może nawet jego pomysł na to, jak to działa, był zły.

Usiadłem więc w małym pokoju w Budynku 20, Plywood Palace na Vassar Street i całe lato pracowałem nad pomysłem, o którym rozmawiałem z moimi studentami. I wiedząc, co można zrobić z laserami, wymyśliłem to: czy rzeczywiście można w ten sposób wykryć fale grawitacyjne? Doszedłem do wniosku, że tak, można wykryć fale grawitacyjne o sile znacznie lepszej niż ta, której szukał Weber.

Co trzeba było zrobić, aby ten pomysł przekształcił się w fizyczną formę?
Zbudowaliśmy 1,5-metrowy prototyp w RLE [Laboratorium Badawcze Elektroniki], korzystając z funduszy [wojskowych] i byliśmy dość dobrze przygotowani. W jednej chwili fundusze zniknęły z powodu poprawki z Mansfielda, która była reakcją na wojnę w Wietnamie. W umysłach lokalnych administratorów RLE badania nad grawitacją i kosmologią nie leżały w interesie wojska i wspierano fizykę ciała stałego, którą uznano za bardziej istotną. Po raz pierwszy musiałem napisać propozycje do innych agencji rządowych i prywatnych, aby kontynuować nasze badania.

Nikt jeszcze poważnie nie zajmował się interferometrią fal grawitacyjnych, chociaż jak się później dowiedziałem, inni też o tym myśleli. Niemiecka grupa w Instytucie Maxa Plancka w Garching właśnie budowała bar Weber. Pracowali z Włochami i odkryli, że Weber się mylił. Przeprowadzili prawdopodobnie najlepszy ze wszystkich eksperymentów, aby to pokazać. To była połowa lat 70-tych.

Poproszono ich o zapoznanie się z moją propozycją dla Narodowej Fundacji Nauki, właśnie wtedy, gdy myśleli o następnej rzeczy, nad którą będą pracować. Myśleli, tak jak wiele innych grup na świecie w tym czasie, aby zrobić jeszcze lepsze batony Weber poprzez schłodzenie ich do prawie zera absolutnego. Zamiast tego podjęli decyzję o wypróbowaniu pomysłu z interferometrem. Zadzwonili do mnie, aby zapytać, czy są jacyś studenci, którzy zostali przeszkoleni na 1,5-metrowym prototypie, aby mogli zaoferować im pracę. (Dokładnie w czasie, kiedy wezwano, nie było żadnego; nieco później David Shoemaker, który pracował nad prototypem MIT, dołączył do grupy Garching.) Następnie zbudowali trzymetrowy prototyp, uruchomili go i wykonali świetną robotę .

Następnie zbudowali 30-metrowy. Nieco później grupa w Glasgow w Szkocji, kierowana przez Ronalda Drevera, który również zbudował bar Weber, rozpoczęła pracę nad detektorami interferometrycznymi.

Zanim otrzymałem fundusze z NSF i zacząłem znowu działać, niemiecka grupa naprawdę rozwiązała większość problemów technicznych związanych z tym pomysłem i pokazała, że ​​wszystkie obliczenia, które wykonałem, odnosiły się do pieniędzy, że działa dokładnie tak, jak wyliczono. Dodali też kilka własnych pomysłów, które to ulepszyły.

W detektorze LIGO w Livingston w stanie Luizjana wydobycie powietrza o wartości ponad dwóch milionów piłek z dwóch czterokilometrowych komór próżniowych zajęło 40 dni, co dało jedną bilionową ciśnienie powietrza na poziomie morza.

Kluczowym krokiem był rok 1975. Ponieważ prowadziłem również badania nad kosmicznym promieniowaniem tła wspieranym przez NASA, zostałem poproszony przez NASA o kierowanie komisją ds. zastosowań badań kosmicznych w dziedzinie kosmologii i teorii względności. To, co wyszło z tego komitetu, to dla mnie to, że spotkałem [fizyka Caltech] Kipa Thorne'a, którego poprosiłem, aby był świadkiem dla komitetu.

Odebrałem Kipa z lotniska w gorącą letnią noc, kiedy Waszyngton był pełen turystów. Nie miał rezerwacji hotelowej, więc dzieliliśmy pokój na noc. Skończyło się na tym, że spędziliśmy całą noc, rozmawiając o interesujących eksperymentach dla Caltech. Kip stworzył jedną z najlepszych grup teoretycznych zajmujących się grawitacją w Caltech i myślał o sprowadzeniu tam eksperymentalnej grupy grawitacyjnej. Rozłożyliśmy na dużej kartce wszystkie różne eksperymenty, wokół których można by zbudować nową grupę. Powiedziałem mu o tym, nad czym pracowaliśmy. Nigdy o tym nie słyszał i bardzo się zainteresował. Wyszło z tego, że Kip i ja ostatecznie zdecydowaliśmy, że Caltech i MIT zrobią ten [projekt, który stał się LIGO] razem.

Jakie były kluczowe momenty, które popchnęły projekt do przodu?
W późnych latach siedemdziesiątych grupa MIT, w skład której obecnie wchodzą Peter Saulson i Paul Linsay, przeprowadziła badania z przemysłem, aby określić wykonalność zbudowania dużego interferometru fal grawitacyjnych w skali kilometrowej. W badaniu przyjrzano się sposobom wytwarzania dużych systemów próżniowych i rozważono, jak określić koszty skalowania prototypów, możliwe lokalizacje, w których można by budować struktury w kształcie litery L o długości od 5 do 10 km przy minimalnych ruchach ziemi, a także dostępność optyki. i źródła światła. Przyjrzeliśmy się możliwym źródłom fal grawitacyjnych i kilku konkurującym koncepcjom interferometrów, które zostały opracowane w różnych laboratoriach na świecie. Informacje te zostały umieszczone w raporcie o nazwie Blue Book i przedstawione NSF w 1983 roku. Naukowcy z Caltech i MIT wspólnie przedstawili pomysły opracowane w Blue Book, a także wyniki badań prototypu.

Propozycja, którą przedstawiliśmy, polegała na stworzeniu systemu detektora wystarczająco czułego, aby faktycznie wykrywał fale grawitacyjne ze źródła astrofizycznego (a nie tylko nowego prototypu). Propozycja polegała na zbudowaniu dwóch detektorów. Z jednym nie można uprawiać nauki; trzeba było mieć dwa oddzielne detektory, równie czułe i wystarczająco długie.

Grupa MIT LIGO w 2016 roku. W pierwszym rzędzie od lewej do prawej: Haocun Yu, Ken Mason, Nergis Mavalvala, Maggie Tse, Rainer Weiss, Peter Fritschel, David Shoemaker, Hang Yu. Tylny rząd od lewej do prawej: Lisa Barsotti, Marie Woods, Mike Zucker, Matthew Evans, John Miller, Bobby Lanza, Adam Libson, Myron MacInnis, Fabrice Matichard, Reed Essick, Erik Katsavounidis, Ryan Lynch, Salvatore Vitale.

To była później prawdziwa walka. Chciałeś zachować te pomysły, a później ludzie chcieli je skrócić: dlaczego nie zbudować jednego długiego? Po co budować tak długo? Wszystkie te argumenty zostały wygłoszone, ale wytrzymaliśmy. Musieliśmy – inaczej nigdy byśmy nie przeżyli i nie byłoby nas tu dzisiaj. Otrzymaliśmy aprobatę komisji: ryzykowne badania z możliwością głębokiego wyniku, warte rozważenia jako nowy projekt NSF.

W połowie lat 80. NSF próbowała wymyślić, jak to zrobić. Potem, w 1986 roku, wydarzyła się interesująca rzecz, która ostatecznie przerwała zacięcie. Richard Garwin, który pracował z Enrico Fermim [laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z 1938 r.] iz Departamentem Energii, dokonał wszystkich obliczeń i faktycznie opracował pierwszą bombę wodorową, został głównym naukowcem IBM. Czytał o eksperymentach Webera i postanowił wraz z innym współpracownikiem IBM zbudować małą, znacznie mądrzejszą od tego, co zbudował Weber — i nic nie zobaczył.

NSF próbowała sprzedać ten ogromny nowy program do fal grawitacyjnych. Garwin się o tym wie i myślał, że zabił tego smoka. Napisał list do NSF, w którym powiedział: Jeśli masz zamiar to wytrwać, lepiej przeprowadź prawdziwe badanie.

Przeprowadziliśmy więc badanie w Amerykańskiej Akademii Sztuki i Nauki na Beacon Street w Cambridge. Było to tygodniowe spotkanie z doskonałym komitetem bezwzględnych naukowców, którzy dokonali przeglądu badań, które przeprowadziliśmy z prototypami, studiów wykonalności stworzenia dużego systemu, planów umiejscowienia systemu i szacunkowych kosztów. Zalecenie wydane przez komisję było niewiarygodnie dobre: ​​projekt jest absolutnie wart wykonania, nie dziel go na jeden detektor na raz, stwórz pełną długość, żadnych prototypów. Zarekomendowano również zmianę w zarządzaniu projektem, aby mieć jednego dyrektora, a nie grupę sterującą, tak jak dotychczas zarządzaliśmy projektem.

Do 1989 roku napisaliśmy kolejną propozycję pod kierunkiem Rochusa Vogta [byłego rektora Caltech], której napisanie zajęło nam prawie sześć miesięcy – to było arcydzieło. Zaproponowano zbudowanie dwóch stanowisk z interferometrami o długości czterech kilometrów. Interferometry miały być ustawione na scenie. Pierwszy detektor oparto na badaniach, już dość dojrzałych, z prototypów o czułości, która oferowała prawdopodobną szansę na wykrycie. Drugi detektor opierał się na nowszych, zaawansowanych koncepcjach, które nie zostały jeszcze w pełni przetestowane, ale które dawały duże szanse na wykrycie. Propozycja przeszła przez Narodową Radę Naukową i została zaakceptowana, a pieniądze zaczęły napływać w znacznych kwotach.

W latach 90. reszta historii jest łatwiejsza. Teraz pod kierownictwem Barry'ego Barisha [profesora fizyki z Caltech] budowano i rozwijano miejsca, konstruowano systemy próżniowe i zaczęliśmy uruchamiać pierwsze detektory. Do 2010 roku uruchomiliśmy je i znacznie poprawiliśmy ich czułość, ale nic nie widzieliśmy. To było czyste nic; detektory działały zgodnie z projektem i nie widzieliśmy żadnych anomalii, które można by zinterpretować jako fale grawitacyjne. W oparciu o fakt, że [osiągnęliśmy pożądaną] wrażliwość projektową i przeprowadziliśmy badania naukowe w celu określenia interesujących górnych limitów możliwych źródeł, otrzymaliśmy fundusze na zbudowanie Advanced LIGO.

Naukowiec LIGO i profesor MIT Nergis Mavalvala przytula Rebeccę Weiss na imprezie MIT ogłaszającej odkrycie fal grawitacyjnych. Prezydent MIT L. Rafael Reif właśnie poprowadził zgromadzonych w sali Busha do oklaskiwania Weissa, mówiąc… bez wątpienia jest to również praca twojego życia.

Jak ważne dla ciebie jest to odkrycie?
O ile spełniło się ambicje wielu z nas, którzy nad tym pracowali, jest to doniosłe. To sygnał, który wszyscy chcieliśmy zobaczyć, ponieważ wiedzieliśmy o tym, nigdy nie mieliśmy na to prawdziwego dowodu, i jest to granica nigdy wcześniej nie obserwowanych równań Einsteina – dynamika geometrii czasoprzestrzeni w silnym pole [grawitacyjne] i górna granica prędkości.

Dla mnie to zamknięcie czegoś, co ma bardzo skomplikowaną historię. Równania pola i cała historia ogólnej teorii względności były skomplikowane. Tutaj nagle mamy coś, za co możemy się uchwycić i powiedzieć, że Einstein miał rację. Cóż za cudowna intuicja i intuicja.

Odczuwam ogromną ulgę i trochę radości, ale przede wszystkim ulgę. Jest małpa, która siedzi na moim ramieniu od 40 lat i bełkocze mi do ucha i mówi: Ehhh, skąd wiesz, że to naprawdę zadziała? Zaangażowałeś całą masę ludzi. Załóżmy, że to nigdy nie działa dobrze? I nagle zeskoczył. To ogromna ulga.

ukryć