En 40-årig søgen efter at bevise, at Einstein har ret

Den 14. september 2015 begyndte Rainer Weiss '55, PhD '62, den første dag af sin ferie i Maine med at gøre, hvad han gør hver morgen efter morgenmaden, hvor end han er: han tjekkede eksperimentloggene for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatorium (LIGO). En meddelelse om, at ugentlige reparationer, der var planlagt til den næste dag, var blevet aflyst, slog Weiss, professor emeritus i fysik, for underlig. Øjeblikke senere dirigerede en byge af e-mails ham til et websted med billeder, der efterlod ham tordnende: LIGO, det instrument, han havde udtænkt fire årtier tidligere, havde optaget et signal på en af ​​sine første testkørsler efter en større opgradering. Han udstødte et råb, der fik hans kone og søn til at løbe. Så begyndte vantroen, siger han. Signalet var for stort og for perfekt. Der gik flere dage, før jeg for alvor begyndte at tro, at det var en rigtig begivenhed.

Efter måneders analyse og genkontrol af data annoncerede et internationalt hold af forskere ledet af forskere fra MIT og Caltech i februar, at signalet var fra to massive sorte huller, der var stødt sammen for 1,3 milliarder år siden. Denne kollision havde frigivet et udbrud af kraft, der blev anslået til at være så meget som 100 gange større end alle stjerner i universet, hvilket producerede en krusning i rum-tid optaget af LIGO. Det var den første direkte påvisning af gravitationsbølgerne, som Einstein forudsagde for et århundrede siden.

Hvor begynder historien om LIGO?
Det startede her i 1967. Jeg blev af lederen af ​​undervisningsprogrammet i fysik bedt om at give et kursus i generel relativitetsteori. Da 1967 rullede rundt, var den generelle relativitetsteori blevet henvist til matematiske afdelinger. Det var en teori om tyngdekraften, men det var mest matematik, og i de flestes bevidsthed havde den ingen relation til fysik. Og det var mest fordi eksperimenter for at bevise, at det var så svært at gøre - alle disse effekter, som Einsteins teori havde forudsagt, var uendeligt små.

Einstein havde set på de tal og dimensioner, der gik ind i hans ligninger for gravitationsbølger og sagde i det væsentlige: Dette er så lille, at det aldrig vil have nogen indflydelse på noget, og ingen kan måle det. Og når man tænker på tiden og teknologien i 1916, så havde han nok ret.

Den store ting, der er sket i de sidste 100 år, er, at folk opdagede ting i astronomi, som var meget forskellige fra, hvad de kendte i 1916 - tæt kompakte kilder [af gravitationsbølger], enormt tætte, som en neutronstjerne, og sorte huller. Og der var teknologi til at udføre præcisionsmålinger, fordi man havde lasere, masere, elektronik, computere og en hel masse ting, folk ikke havde i 1916.

Så teknologien og viden om universet gjorde det muligt, da vi kom ind i dette, at overveje at prøve at lede efter gravitationsbølger.

I 1960'erne havde Joseph Weber ved University of Maryland den idé, at teknologien måske var nået dertil, hvor man kunne lede efter gravitationsbølger, og han opfandt en metode til at gøre det. Han forestillede sig en slags xylofon lavet af massive resonansstænger. Han forventede, at en gravitationsbølge ville komme og trække i en af ​​stængerne og klemme den, og da bølgen gik, ville den efterlade en puls, og tingen ville ringe, og man kunne høre den.

Det var den første idé, at du skulle gøre noget aktivt for at lede efter gravitationsbølger. Og han havde gjort krav på en opdagelse i 1960'erne.

Da jeg underviste i mit kursus, var eleverne meget interesserede i at finde ud af, hvad [Webers eksperiment] var. Og jeg skal være ærlig over for dig, jeg kunne for mit liv ikke forstå, hvad han gjorde. Det var problemet. Fordi det modsvarede fuldstændig enhver intuition, jeg nu havde udviklet om generel relativitet. Jeg kunne ikke forklare det til eleverne.

Det var mit dilemma på det tidspunkt, og det var da opfindelsen blev lavet. Jeg sagde: Hvad er den enkleste ting, jeg kan komme i tanke om for at vise disse elever, at du kunne opdage indflydelsen af ​​en gravitationsbølge?

Det åbenlyse for mig var, lad os tage frit svævende masser i rummet og måle den tid, det tager lys at rejse mellem dem. Tilstedeværelsen af ​​en gravitationsbølge ville ændre den tid. Ved at bruge tidsforskellen kunne man måle bølgens amplitude. Ligninger for denne proces er enkle at skrive, og de fleste af eleverne i klassen kunne gøre det. Glem et øjeblik, at dette var et tankeeksperiment, der krævede umuligt præcise ure. Princippet var okay.

Simulering af kollisionen af ​​sorte huller, der producerede tyngdekraftsbølgerne opdaget af LIGO den 1. september 2015.

Jeg tænkte ikke meget mere over det før omkring et år senere, da jeg begyndte at indse noget om Webers eksperimenter: ingen fik det svar, han fik. Han havde fremsat et stort og stærkt krav. Og jeg begyndte at indse, at det måske var forkert, og måske endda hans idé om, hvordan det virker, var forkert.

Så jeg satte mig ned i et lille værelse i bygning 20, krydsfinerpaladset på Vassar Street, og arbejdede hele sommeren på den idé, som jeg havde talt med mine elever om. Og da jeg vidste, hvad du kunne gøre med lasere, fandt jeg ud af det: kunne du faktisk opdage gravitationsbølger på denne måde? Og jeg kom til den konklusion, at ja, man kunne detektere gravitationsbølger, med en styrke, der var meget bedre end hvad Weber ledte efter.

Hvad skulle der til for at bringe denne idé i fysisk form?
Vi byggede en 1,5 meter lang prototype i RLE [Research Laboratory of Electronics] ved at bruge [militær] finansiering, og vi var ret godt med. Med det samme var finansieringen væk på grund af Mansfield-ændringen, som var en reaktion på Vietnamkrigen. I de lokale RLE-administratorers sind var forskning i gravitation og kosmologi ikke i militærets interesse, og der blev givet støtte til faststoffysik, som blev anset for mere relevant. For første gang skulle jeg skrive forslag til andre offentlige og private instanser for at fortsætte vores forskning.

Ingen arbejdede seriøst på gravitationsbølgeinterferometri endnu, selvom som jeg lærte senere, havde andre også tænkt over det. En tysk gruppe på Max Planck Instituttet i Garching havde netop været igennem at bygge en Weber-bar. De havde arbejdet med italienerne og fundet ud af, at Weber tog fejl. De havde nok lavet det allerbedste eksperiment af nogen for at vise dette. Det var midt i 70'erne.

De blev bedt om at gennemgå mit forslag til National Science Foundation, ligesom de tænkte på det næste, de skulle arbejde på. De havde tænkt, som mange andre grupper i verden på det tidspunkt, at lave endnu bedre Weber-barer ved at køle dem til tæt på det absolutte nulpunkt. I stedet tog de en beslutning om at prøve interferometer-ideen. De ringede til mig for at spørge, om der var nogle elever, der var blevet trænet i 1,5 meter prototypen, så de kunne tilbyde dem et job. (På præcis det tidspunkt, de ringede, var der ingen; lidt senere sluttede David Shoemaker, som havde arbejdet på MIT-prototypen, sig i Garching-gruppen.) De byggede derefter en tre meter lang prototype, fik den til at fungere og gjorde et smukt stykke arbejde .

Dernæst byggede de en 30 meter lang. Noget senere begyndte en gruppe i Glasgow, Skotland, instrueret af Ronald Drever, som også havde bygget en Weber-bar, at arbejde på interferometriske detektorer.

Da jeg fik midler fra NSF og kom i gang igen, havde den tyske gruppe virkelig løst de fleste tekniske problemer med ideen og vist, at alle de beregninger, jeg havde lavet, var rigtige på pengene, at det fungerede lige så beregnet. De tilføjede også nogle egne ideer, der gjorde det bedre.

Ved LIGO-detektoren i Livingston, Louisiana, tog det 40 dage at udvinde luft for over to millioner fodbolde fra to fire kilometer lange vakuumkamre, hvilket resulterede i en trilliondel af lufttrykket ved havoverfladen.

Et vigtigt skridt var i 1975. Fordi jeg også lavede studier i kosmisk baggrundsstråling støttet af NASA, blev jeg bedt af NASA om at lede en komité for anvendelse af rumforskning inden for kosmologi og relativitetsteori. Det, der kom ud af den komité for mig, var, at jeg mødte [Caltech-fysikeren] Kip Thorne, som jeg havde bedt om at være vidne for udvalget.

Jeg hentede Kip i lufthavnen en varm sommernat, da Washington, D.C., var fyldt med turister. Han havde ikke en hotelreservation, så vi delte et værelse for natten. Vi endte med at bruge hele natten på at tale om, hvad der kunne være interessante eksperimenter for Caltech at lave. Kip havde udviklet en af ​​de bedste teorigrupper inden for gravitation på Caltech og tænkte på at bringe en eksperimentel gravitationsgruppe dertil. Vi lagde på et stort stykke papir alle de forskellige eksperimenter, man kunne bygge en ny gruppe op omkring. Jeg fortalte ham om denne ting, vi arbejdede på. Han havde aldrig hørt om det, og han blev meget interesseret. Det, der kom ud af det, var, at Kip og jeg til sidst besluttede, at Caltech og MIT ville lave dette [projekt, der blev LIGO] sammen.

Hvad var nogle nøgleøjeblikke, der drev projektet fremad?
I de senere 1970'ere lavede MIT-gruppen, nu inklusive Peter Saulson og Paul Linsay, en undersøgelse med industrien for at bestemme gennemførligheden af ​​at bygge et stort, kilometer-skala gravitationsbølge-interferometer. Undersøgelsen så på, hvordan man laver store vakuumsystemer og overvejede, hvordan man kunne bestemme omkostningerne til at opskalere prototyperne, de mulige steder, hvor man kunne bygge fem til 10 kilometer L-formede strukturer med minimum jordflytning, og tilgængeligheden af ​​optik og lyskilder. Vi så på de mulige kilder til gravitationsbølger og adskillige konkurrerende interferometerkoncepter, der var blevet prototype i forskellige laboratorier i verden. Oplysningerne blev lagt i en rapport, kaldet Blue Book, og præsenteret for NSF i 1983. Forskere fra Caltech og MIT præsenterede sammen ideerne udviklet i Blue Book, såvel som resultaterne af prototypeforskningen.

Forslaget, vi præsenterede, var at gøre et detektorsystem følsomt nok til faktisk at detektere gravitationsbølger fra en astrofysisk kilde (ikke kun en ny prototype). Forslaget var at bygge to detektorer. Du kunne ikke lave videnskab med en; du skulle have to separate detektorer, lige følsomme og lange nok.

MIT LIGO-gruppen i 2016. Forreste række fra venstre mod højre: Haocun Yu, Ken Mason, Nergis Mavalvala, Maggie Tse, Rainer Weiss, Peter Fritschel, David Shoemaker, Hang Yu. Bagerste række fra venstre mod højre: Lisa Barsotti, Marie Woods, Mike Zucker, Matthew Evans, John Miller, Bobby Lanza, Adam Libson, Myron MacInnis, Fabrice Matichard, Reed Essick, Erik Katsavunidis, Ryan Lynch, Salvatore Vitale.

Det var en rigtig kamp senere hen. Du ville fastholde de ideer, og folk ville senere barbere det ned: Hvorfor ikke bare bygge en lang? Hvorfor bygge det så længe? Alle disse argumenter blev fremført, men vi holdt ud. Det var vi nødt til – ellers ville vi aldrig have overlevet, og vi ville ikke være her i dag. Vi fik en påtegning fra udvalget: risikabel forskning med mulighed for et dybtgående resultat, der er værd at overveje som et nyt projekt af NSF.

I midten af ​​1980'erne blev NSF ved med at prøve at finde ud af, hvordan man starter dette. Så, i 1986, skete der en interessant ting, der til sidst brød problemet. Richard Garwin, som havde arbejdet sammen med Enrico Fermi [1938 nobelpristager i fysik] og med Department of Energy, og lavet alle beregningerne og lavet den faktiske udvikling af den første brintbombe, var blevet chefforsker for IBM. Han havde læst om Webers eksperimenter og besluttede sammen med en anden IBM-medarbejder at bygge en lille, meget smartere end hvad Weber havde bygget - og han så intet.

NSF forsøgte at sælge dette enorme nye program til gravitationsbølger. Garwin får nys om det, og han troede, han havde dræbt denne drage. Han skrev et brev til NSF og sagde: 'Hvis du vil blive ved med dette, må du hellere have et rigtigt studie.

Så vi kørte et studie på American Academy of Arts and Sciences på Beacon Street i Cambridge. Det var et en-uges møde med en fremragende komité af hårdføre videnskabsmænd, som gennemgik den forskning, vi havde lavet med prototyperne, gennemførlighedsundersøgelserne for at lave et stort system, planerne for placering af systemet og omkostningsestimaterne. Den anbefaling, udvalget kom med, var utrolig god: projektet er absolut værd at gøre, lad være med at dele det op i én detektor ad gangen, lav det i fuld længde, ikke flere prototyper. Det anbefalede også en ændring i ledelsen af ​​projektet med en enkelt direktør frem for en styregruppe, som var den måde, vi havde styret projektet indtil da.

I 1989 skrev vi endnu et forslag under ledelse af Rochus Vogt [en tidligere Caltech-provost], som det tog os næsten seks måneder at skrive - det var et mesterværk. Forslaget gik ud på at bygge to pladser med fire kilometer lange interferometre. Interferometrene skulle iscenesættes. Den første detektor var baseret på forskningen, nu rimelig moden, fra prototyperne med en følsomhed, der tilbød en sandsynlig chance for påvisning. Den anden detektor var baseret på nyere, avancerede koncepter, som endnu ikke var blevet fuldt testet, men som tilbød muligheden for en god chance for detektion. Forslaget kom igennem National Science Board og blev accepteret, og penge begyndte at komme i betydelige beløb.

I 1990'erne er resten af ​​historien lettere. Nu under ledelse af Barry Barish [en Caltech fysikprofessor] blev stederne bygget og udviklet, vakuumsystemer blev lavet, og vi begyndte at køre de første detektorer. I 2010 havde vi kørt dem og lavet store forbedringer i deres følsomhed, men vi havde intet set. Det var et rent ingenting; detektorerne havde kørt ved design, og vi så ingen anomalier, der kunne tolkes som gravitationsbølger. Baseret på det faktum, at vi [havde opnået vores ønskede] designfølsomhed og havde udført videnskaben for at bestemme nogle interessante øvre grænser for mulige kilder, modtog vi finansiering til at bygge Advanced LIGO.

LIGO-forsker og MIT-professor Nergis Mavalvala krammer Rebecca Weiss ved MIT-begivenheden, der annoncerer opdagelsen af ​​gravitationsbølger. MIT-præsident L. Rafael Reif havde lige ledt dem, der var forsamlet i Bush-rummet, med at klappe Weiss og sagde … ingen tvivl om, at dette også har været dit livsværk.

Hvor betydningsfuld er denne opdagelse for dig?
For så vidt at have opfyldt ambitionerne hos mange af os, der har arbejdet på dette, er det betydningsfuldt. Det er signalet, som vi alle har ønsket at se, fordi vi vidste om det, vi havde aldrig haft reelt bevis for det, og det er grænsen for Einsteins ligninger, der aldrig er observeret før - dynamikken i rumtidens geometri i det stærke. [gravitations] felt og højhastighedsgrænse.

For mig er det en afslutning på noget, der har haft en meget kompliceret historie. Feltligningerne og hele den generelle relativitetsteori har været komplicerede. Her har vi pludselig noget, vi kan gribe fat i og sige, Einstein havde ret. Hvilken fantastisk indsigt og intuition han havde.

Jeg føler en enorm lettelse og en vis glæde, men mest lettelse. Der er en abe, der har siddet på min skulder i 40 år, og han har nusset i mit øre og sagt, Øhhh, hvordan ved du, at det her virkelig kommer til at fungere? Du har fået en hel flok mennesker med. Antag, at det aldrig virker vel? Og pludselig er han hoppet af. Det er en kæmpe lettelse.

skjule