40 gadi, lai pierādītu, ka Einšteinam ir taisnība

2015. gada 14. septembrī Rainers Veiss '55, PhD '62, sāka savu atvaļinājuma pirmo dienu Meinā, darot to, ko dara katru rītu pēc brokastīm neatkarīgi no tā, kur viņš atrodas: viņš pārbaudīja lāzera interferometra gravitācijas viļņa eksperimentu žurnālus. Observatorija (LIGO). Paziņojums, ka nākamajai dienai plānotie iknedēļas remontdarbi ir atcelti, Veisam, emeritētam fizikas profesoram, šķiet dīvaini. Mirkli vēlāk virkne e-pastu novirzīja viņu uz vietni ar attēliem, kas viņu pārsteidza: LIGO, instruments, kuru viņš bija iecerējis pirms četrām desmitgadēm, bija ierakstījis signālu vienā no pirmajiem testa braucieniem pēc lielas jaunināšanas. Viņš izkliedza, kas lika sievai un dēlam skriet. Tad sākās neticība, viņš saka. Signāls bija pārāk liels un pārāk ideāls. Pagāja vairākas dienas, līdz es patiesi sāku noticēt, ka tas ir īsts notikums.

Pēc mēnešiem ilgas datu analīzes un atkārtotas pārbaudes starptautiska pētnieku komanda, kuru vadīja MIT un Caltech zinātnieki, februārī paziņoja, ka signāls ir no diviem masīviem melnajiem caurumiem, kas bija sadūrušies pirms 1,3 miljardiem gadu. Šī sadursme bija izlaidusi jaudas uzliesmojumu, kas tika lēsts pat 100 reižu lielāks nekā visām Visuma zvaigznēm, radot LIGO reģistrēto laika telpas pulsāciju. Tā bija pirmā tiešā gravitācijas viļņu noteikšana, ko Einšteins paredzēja pirms gadsimta.

Kur sākas LIGO stāsts?
Tas sākās šeit 1967. gadā. Fizikas mācību programmas vadītājs man lūdza nolasīt kursu par vispārējo relativitāti. Līdz 1967. gadam, vispārējā relativitāte bija pārņemta matemātikas nodaļās. Tā bija gravitācijas teorija, taču tā galvenokārt bija matemātika, un lielākā daļa cilvēku domāja, ka tai nebija nekādas saistības ar fiziku. Un tas galvenokārt bija tāpēc, ka eksperimenti, lai to pierādītu, bija tik grūti izdarāmi — visas šīs sekas, ko Einšteina teorija bija paredzējusi, bija bezgala mazas.

Einšteins bija apskatījis skaitļus un izmērus, kas bija iekļauti viņa gravitācijas viļņu vienādojumos, un teica: būtībā tas ir tik mazs, ka tas nekad neko neietekmēs, un neviens to nevar izmērīt. Un, ja padomā par laiku un tehnoloģijām 1916. gadā, viņam droši vien bija taisnība.

Lielākais, kas noticis pēdējo 100 gadu laikā, ir tas, ka cilvēki astronomijā atklāja lietas, kas ļoti atšķiras no tā, ko viņi zināja 1916. gadā — cieši kompaktus [gravitācijas viļņu] avotus, ārkārtīgi blīvus, piemēram, neitronu zvaigzni, un melnos caurumus. Un bija tehnoloģija precīzu mērījumu veikšanai, jo jums bija lāzeri, mazeri, elektronika, datori un vesela virkne lietu, kas cilvēkiem nebija 1916. gadā.

Tātad tehnoloģijas un zināšanas par Visumu ļāva līdz brīdim, kad mēs nonācām šajā jautājumā, apsvērt iespēju meklēt gravitācijas viļņus.

Sešdesmitajos gados Džozefs Vēbers no Merilendas universitātes domāja, ka, iespējams, tehnoloģija ir nonākusi tiktāl, ka var meklēt gravitācijas viļņus, un viņš izgudroja metodi, kā to izdarīt. Viņš iztēlojās sava veida ksilofonu, kas izgatavots no masīviem rezonējošiem stieņiem. Viņš gaidīja, ka atnāks gravitācijas vilnis un pievilks vienu no stieņiem un to saspiedīs, un, vilnim aizejot, tas atstās pulsu, un lieta zvanīs, un jūs to varēsit dzirdēt.

Tā bija pirmā ideja, ka jums jādara kaut kas aktīvs, lai meklētu gravitācijas viļņus. Un viņš bija apgalvojis atklājumu 1960. gados.

Kad es pasniedzu savu kursu, studenti bija ļoti ieinteresēti uzzināt, kas ir [Vēbera eksperiments]. Un es būšu pret jums godīgs, es visu mūžu nevarēju saprast, ko viņš dara. Tā bija problēma. Tāpēc, ka tas pilnībā atspēkoja katru intuīciju, ko es tagad attīstīju par vispārējo relativitāti. Es nevarēju to izskaidrot skolēniem.

Tā tolaik bija mana grūtība, un tieši tad tika izveidots izgudrojums. Es teicu: Kas ir vienkāršākais, ko es varu iedomāties, lai parādītu šiem studentiem, ka jūs varat noteikt gravitācijas viļņa ietekmi?

Man bija skaidrs, ka ņemsim telpā brīvi peldošas masas un izmērīsim laiku, kas nepieciešams, lai gaisma pārvietotos starp tām. Gravitācijas viļņa klātbūtne to laiku mainītu. Izmantojot laika starpību, var izmērīt viļņa amplitūdu. Šī procesa vienādojumus ir vienkārši uzrakstīt, un lielākā daļa klases skolēnu varētu to izdarīt. Uz brīdi aizmirstiet, ka šis bija domu eksperiments, kam bija nepieciešami neticami precīzi pulksteņi. Princips bija ok.

Melno caurumu sadursmes simulācija, kas radīja gravitācijas viļņus, ko LIGO atklāja 2015. gada 1. septembrī.

Es par to daudz vairāk nedomāju līdz apmēram gadu vēlāk, kad sāku kaut ko saprast par Vēbera eksperimentiem: neviens nesaņēma atbildi, ko viņš saņēma. Viņš bija izvirzījis milzīgu un spēcīgu prasību. Un es sāku saprast, varbūt tas ir nepareizi, un varbūt pat viņa priekšstats par to, kā tas darbojas, bija nepareizs.

Tāpēc es apsēdos mazā istabiņā 20. ēkā, Saplākšņa pilī Vassar ielā, un visu vasaru strādāju pie idejas, par kuru biju runājis ar saviem studentiem. Un, zinot, ko jūs varat darīt ar lāzeriem, es to noskaidroju: vai jūs patiešām varat noteikt gravitācijas viļņus šādā veidā? Un es nonācu pie secinājuma, ka jā, jūs varat noteikt gravitācijas viļņus ar spēku, kas bija daudz labāks par to, ko meklēja Vēbers.

Kas bija nepieciešams, lai šī ideja nonāktu fiziskā formā?
Mēs veidojām 1,5 metru prototipu RLE [Elektronikas pētniecības laboratorijā], izmantojot [militāro] finansējumu, un mums izdevās diezgan labi. Mansfīldas grozījumu dēļ, kas bija reakcija uz Vjetnamas karu, finansējums uzreiz tika pazudis. Vietējo RLE administratoru prātos gravitācijas un kosmoloģijas pētījumi nebija militārpersonu interesēs, un tika atbalstīta cietvielu fizika, kas tika uzskatīta par atbilstošāku. Pirmo reizi man bija jāraksta priekšlikumi citām valsts un privātajām aģentūrām, lai turpinātu mūsu pētījumu.

Pie gravitācijas viļņu interferometrijas vēl neviens nopietni nestrādāja, lai gan, kā vēlāk uzzināju, arī citi par to bija domājuši. Vācu grupa Maksa Planka institūtā Garchingā tikko bija būvējusi Vēbera bāru. Viņi bija strādājuši ar itāļiem un atklājuši, ka Vēbers kļūdījās. Viņi, iespējams, bija veikuši vislabāko eksperimentu, lai to parādītu. Tas bija 70. gadu vidus.

Viņiem tika lūgts pārskatīt manu priekšlikumu Nacionālajam zinātnes fondam, kamēr viņi domāja par nākamo lietu, pie kā strādāt. Viņi bija domājuši, tāpat kā daudzas citas pasaules grupas tajā laikā, izveidot vēl labākus Weber stieņus, atdzesējot tos līdz absolūtai nullei. Tā vietā viņi pieņēma lēmumu izmēģināt interferometra ideju. Viņi man piezvanīja, lai pajautātu, vai ir kādi skolēni, kas ir apmācīti pie 1,5 metru garā prototipa, lai viņi varētu viņiem piedāvāt darbu. (Tieši tajā laikā, kad viņi zvanīja, neviena nebija; nedaudz vēlāk Deivids Šomeikers, kurš bija strādājis pie MIT prototipa, pievienojās Garching grupai.) Pēc tam viņi uzbūvēja trīs metru prototipu, lika tam darboties un paveica skaistu darbu. .

Tālāk viņi uzcēla 30 metrus garu. Nedaudz vēlāk grupa Glāzgovā, Skotijā, kuru vadīja Ronalds Drevers, kurš arī bija uzbūvējis Vēbera bāru, sāka strādāt pie interferometriskiem detektoriem.

Līdz brīdim, kad es saņēmu finansējumu no NSF un atsāku strādāt, vācu grupa patiešām bija atrisinājusi lielāko daļu tehnisko problēmu ar ideju un parādījusi, ka visi aprēķini, ko es veicu, bija pareizi par naudu, ka tā strādāja tieši tā, kā tika aprēķināts. Viņi arī pievienoja dažas savas idejas, kas to uzlaboja.

LIGO detektorā Livingstonā, Luiziānā, bija nepieciešamas 40 dienas, lai no divām četrus kilometrus garām vakuuma kamerām izvilktu gaisu vairāk nekā divus miljonus futbola bumbu vērtībā, tādējādi radot vienu triljono daļu gaisa spiediena jūras līmenī.

Galvenais solis bija 1975. gadā. Tā kā es arī veicu pētījumus par kosmisko fona starojumu, ko atbalstīja NASA, NASA man lūdza vadīt komiteju par kosmosa pētījumu izmantošanu kosmoloģijas un relativitātes jomā. Tas, kas man iznāca no šīs komitejas, bija tas, ka es satiku [Caltech fiziķi] Kipu Tornu, kuru biju lūdzis būt komitejas lieciniekam.

Es paņēmu Kipu lidostā karstā vasaras naktī, kad Vašingtona, D.C., bija piepildīta ar tūristiem. Viņam nebija viesnīcas rezervācijas, tāpēc nakšņojām vienā istabā. Mēs beidzām visu nakti, runājot par to, kādi varētu būt interesanti Caltech eksperimenti. Kips bija izstrādājis vienu no labākajām gravitācijas teorijas grupām Caltech un domāja uz turieni nogādāt eksperimentālu gravitācijas grupu. Mēs uz liela papīra izklājām visus dažādos eksperimentus, ar kuriem varētu izveidot jaunu grupu. Es viņam pastāstīju par šo lietu, pie kuras mēs strādājam. Viņš nekad par to nebija dzirdējis, un viņu ļoti ieinteresēja. No tā izrietēja, ka mēs ar Kipu nolēmām, ka Caltech un MIT veiks šo [projektu, kas kļuva par LIGO] kopā.

Kādi bija galvenie momenti, kas virzīja projektu uz priekšu?
70. gadu beigās MIT grupa, kurā tagad ietilpst Pīters Saulsons un Pols Linsijs, veica pētījumu ar nozari, lai noteiktu liela, kilometru mēroga gravitācijas viļņu interferometra izveides iespējamību. Pētījumā tika aplūkots, kā izveidot lielas vakuuma sistēmas un kā noteikt izmaksas prototipu palielināšanai, iespējamās vietas, kur varētu uzbūvēt piecu līdz 10 kilometru garas L formas konstrukcijas ar minimālu zemes pārvietošanu, un optikas pieejamību. un gaismas avoti. Mēs apskatījām iespējamos gravitācijas viļņu avotus un vairākas konkurējošas interferometru koncepcijas, kas tika prototipētas dažādās pasaules laboratorijās. Informācija tika ievietota ziņojumā, ko sauca par Zilo grāmatu, un iesniegta NSF 1983. gadā. Zinātnieki no Caltech un MIT kopā iepazīstināja ar Zilajā grāmatā izstrādātajām idejām, kā arī prototipu izpētes rezultātiem.

Mūsu iesniegtais priekšlikums bija padarīt detektoru sistēmu pietiekami jutīgu, lai faktiski noteiktu gravitācijas viļņus no astrofizikas avota (ne tikai jauna prototipa). Priekšlikums bija izveidot divus detektorus. Jūs nevarat veikt zinātni ar vienu; jums bija jābūt diviem atsevišķiem detektoriem, vienlīdz jutīgiem un pietiekami ilgi.

MIT LIGO grupa 2016. gadā. Priekšējā rindā no kreisās uz labo: Haocun Yu, Ken Mason, Nergis Mavalvala, Maggie Tse, Rainer Weiss, Peter Fritschel, David Shoemaker, Hang Yu. Aizmugurējā rinda no kreisās uz labo: Liza Barsoti, Marija Vudsa, Maiks Cukers, Metjū Evanss, Džons Millers, Bobijs Lanza, Ādams Libsons, Mairons Makiniss, Fabriss Matičārs, Rīds Esiks, Ēriks Katsavounidis, Raiens Linčs, Salvatore Vitāle.

Tā vēlāk bija īsta cīņa. Jūs vēlējāties saglabāt šīs idejas, un cilvēki vēlāk gribēja to noskūt: kāpēc gan neuzbūvēt vienu garu? Kāpēc to tik ilgi būvēt? Visi šie argumenti tika izteikti, bet mēs tos atturējām. Mums vajadzēja — pretējā gadījumā mēs nekad nebūtu izdzīvojuši un šodien nebūtu šeit. Mēs saņēmām komitejas apstiprinājumu: riskants pētījums ar iespējamu dziļu iznākumu, ko ir vērts apsvērt kā jaunu NSF projektu.

Līdz 80. gadu vidum NSF turpināja mēģināt izdomāt, kā to sākt. Tad 1986. gadā notika interesanta lieta, kas beidzot pārtrauca sastrēgumu. Ričards Garvins, kurš strādāja kopā ar Enriko Fermi [1938. gada Nobela prēmijas laureāts fizikā] un Enerģētikas departamentu, veica visus aprēķinus un faktiski izstrādāja pirmo ūdeņraža bumbu, bija kļuvis par IBM galveno zinātnieku. Viņš bija lasījis par Vēbera eksperimentiem un ar citu IBM līdzstrādnieku nolēma uzbūvēt mazu, daudz gudrāku par Vēbera uzbūvēto, un viņš neko neredzēja.

NSF mēģināja pārdot šo milzīgo jauno programmu gravitācijas viļņiem. Garvins to uztver, un viņš domāja, ka ir nogalinājis šo pūķi. Viņš uzrakstīja vēstuli NSF, sakot: Ja jūs turpināsit to darīt, labāk veikt īstu pētījumu.

Tāpēc mēs vadījām pētījumu Amerikas Mākslas un zinātņu akadēmijā Bīkonstrītā Kembridžā. Tā bija vienu nedēļu ilga tikšanās ar izcilu stingru zinātnieku komiteju, kas pārskatīja pētījumus, ko veicām ar prototipiem, priekšizpēti lielas sistēmas izveidei, sistēmas izvietojuma plānus un izmaksu aprēķinus. Komitejas sniegtais ieteikums bija neticami labs: projekts ir patiešām tā vērts, nesadaliet to vienā detektorā vienlaikus, izveidojiet to pilnā garumā, ne vairāk prototipus. Tā arī ieteica mainīt projekta vadību, lai būtu viens direktors, nevis vadības grupa, kā mēs līdz tam bijām vadījuši projektu.

Līdz 1989. gadam mēs uzrakstījām vēl vienu priekšlikumu Rohusa Voga [bijušais Kaltech prāvests] vadībā, un tā uzrakstīšana aizņēma gandrīz sešus mēnešus — tas bija šedevrs. Priekšlikums bija būvēt divas vietas ar četrus kilometrus gariem interferometriem. Interferometri bija jāinstalē. Pirmais detektors tika izveidots, pamatojoties uz pētījumiem, kas tagad ir pietiekami nobrieduši, no prototipiem ar jutīgumu, kas piedāvāja ticamu iespēju atklāt. Otrais detektors bija balstīts uz jaunākām, progresīvām koncepcijām, kas vēl nebija pilnībā pārbaudītas, bet piedāvāja labas noteikšanas iespējas. Priekšlikums tika iesniegts Nacionālajā zinātnes padomē un tika pieņemts, un nauda sāka ienākt ievērojamās summās.

Deviņdesmitajos gados pārējā vēsture ir vieglāka. Tagad Barija Bariša [Kaltech fizikas profesora] vadībā tika būvētas un attīstītas vietas, tika izveidotas vakuuma sistēmas, un mēs sākām darbināt pirmos detektorus. Līdz 2010. gadam mēs tos bijām palaiduši un ievērojami uzlabojuši to jutīgumu, taču neko nebijām redzējuši. Tas bija tīrs nekas; detektori darbojās atbilstoši projektēšanai, un mēs neredzējām nekādas anomālijas, ko varētu interpretēt kā gravitācijas viļņus. Pamatojoties uz to, ka [bijām sasnieguši vēlamo] dizaina jutīgumu un veikuši zinātni, lai noteiktu dažas interesantas iespējamo avotu augšējās robežas, mēs saņēmām finansējumu Advanced LIGO izveidei.

LIGO zinātnieks un MIT profesors Nergis Mavalvala apskauj Rebeku Veisu MIT pasākumā, kurā tika paziņots par gravitācijas viļņu atklāšanu. MIT prezidents L. Rafaels Reifs tikko vadīja Buša istabā sanākušos, aplaudējot Veisam, sakot… bez šaubām, tas ir bijis arī jūsu mūža darbs.

Cik nozīmīgs jums ir šis atklājums?
Ciktāl tas ir īstenojis daudzu mūsu, kas pie tā strādājuši, ambīcijas, tas ir nozīmīgi. Tas ir signāls, ko mēs visi esam vēlējušies redzēt, jo mēs par to zinājām, mums nekad nebija īstu pierādījumu tam, un tas ir Einšteina vienādojumu robeža, kas nekad iepriekš nav novērota — laika telpas ģeometrijas dinamika spēcīgajā. [gravitācijas] lauks un liela ātruma robeža.

Manuprāt, tā ir slēgšana kaut kam, kam ir bijusi ļoti sarežģīta vēsture. Lauku vienādojumi un visa vispārējās relativitātes teorijas vēsture ir bijusi sarežģīta. Šeit pēkšņi mums ir kaut kas, ko varam satvert un teikt: Einšteinam bija taisnība. Cik viņam bija brīnišķīgs ieskats un intuīcija.

Es jūtu milzīgu atvieglojuma sajūtu un zināmu prieku, bet galvenokārt atvieglojumu. Ir pērtiķis, kas sēž uz mana pleca 40 gadus, un viņš kņudina man ausi un saka: Ehh, kā jūs zināt, ka tas tiešām darbosies? Jūs esat iesaistījis veselu baru cilvēku. Pieņemsim, ka tas nekad nedarbojas pareizi? Un pēkšņi viņš nolēca. Tas ir milzīgs atvieglojums.

paslēpties