211service.com
En 40-årig søken etter å bevise at Einstein har rett
14. september 2015 begynte Rainer Weiss '55, PhD '62, den første dagen av ferien i Maine med å gjøre det han gjør hver morgen etter frokost, uansett hvor han er: han sjekket eksperimentloggene for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatorium (LIGO). En kunngjøring om at ukentlige reparasjoner planlagt for neste dag var kansellert, fant Weiss, en professor emeritus i fysikk, som merkelig. Øyeblikk senere ledet en mengde e-poster ham til et nettsted med bilder som gjorde ham tordenskjerpet: LIGO, instrumentet han hadde unnfanget fire tiår tidligere, hadde registrert et signal på en av sine første testkjøringer etter en større oppgradering. Han utløste et rop som fikk kona og sønnen til å løpe. Så begynte vantroen, sier han. Signalet var for stort og for perfekt. Det tok flere dager før jeg virkelig begynte å tro at det var en virkelig hendelse.
Etter måneder med analyse og ny kontroll av data, kunngjorde et internasjonalt team av forskere ledet av forskere fra MIT og Caltech i februar at signalet var fra to massive sorte hull som hadde kollidert for 1,3 milliarder år siden. Den kollisjonen hadde gitt ut et kraftutbrudd anslått til å være så mye som 100 ganger det for alle stjernene i universet, og produsert en krusning i rom-tid registrert av LIGO. Det var den første direkte oppdagelsen av gravitasjonsbølgene som Einstein forutså for et århundre siden.
Hvor begynner historien om LIGO?
Det startet her i 1967. Jeg ble bedt av lederen for undervisningsprogrammet i fysikk om å holde et kurs om generell relativitetsteori. Da 1967 rullet rundt, hadde generell relativitetsteori blitt henvist til matematiske avdelinger. Det var en teori om tyngdekraften, men det var for det meste matematikk, og i de flestes hode hadde den ingen sammenheng med fysikk. Og det var mest fordi eksperimenter for å bevise det var så vanskelig å gjøre - alle disse effektene som Einsteins teori hadde spådd var uendelig små.
Einstein hadde sett på tallene og dimensjonene som gikk inn i ligningene hans for gravitasjonsbølger og sa i hovedsak: Dette er så lite at det aldri vil ha noen innflytelse på noe, og ingen kan måle det. Og når man tenker på tiden og teknologien i 1916, hadde han nok rett.
Den store tingen som har skjedd de siste 100 årene er at folk oppdaget ting i astronomi som var veldig forskjellige fra det de visste i 1916 - tett kompakte kilder [av gravitasjonsbølger], enormt tette, som en nøytronstjerne, og sorte hull. Og det var teknologi for å gjøre presisjonsmålinger, fordi du hadde lasere, masere, elektronikk, datamaskiner og en hel haug med ting folk ikke hadde i 1916.
Så teknologien og kunnskapen om universet gjorde det mulig, da vi kom inn i dette, å tenke på å prøve å lete etter gravitasjonsbølger.
På 1960-tallet hadde Joseph Weber ved University of Maryland ideen om at teknologien kanskje hadde kommet til et punkt hvor man kunne se etter gravitasjonsbølger, og han fant opp en metode for å gjøre det. Han så for seg en slags xylofon laget av massive resonansstenger. Han forventet at en gravitasjonsbølge ville komme og trekke i en av stengene og klemme den, og når bølgen gikk, ville den etterlate en puls, og tingen ville ringe og du kunne høre den.
Det var den første ideen at du skulle gjøre noe aktivt for å lete etter gravitasjonsbølger. Og han hadde hevdet et funn på 1960-tallet.
Da jeg underviste i kurset mitt, var studentene veldig interessert i å finne ut hva [Webers eksperiment] var. Og jeg skal være ærlig med deg, jeg kunne for mitt liv ikke forstå det han gjorde. Det var problemet. Fordi det helt motarbeidet enhver intuisjon jeg nå hadde utviklet om generell relativitet. Jeg kunne ikke forklare det for elevene.
Det var min dilemma på den tiden, og det var da oppfinnelsen ble laget. Jeg sa: Hva er det enkleste jeg kan komme på for å vise disse elevene at du kunne oppdage påvirkningen av en gravitasjonsbølge?
Det åpenbare for meg var, la oss ta fritt flytende masser i verdensrommet og måle tiden det tar lys å reise mellom dem. Tilstedeværelsen av en gravitasjonsbølge ville endre den tiden. Ved å bruke tidsforskjellen kunne man måle amplituden til bølgen. Ligninger for denne prosessen er enkle å skrive, og de fleste av elevene i klassen kunne gjøre det. Glem et øyeblikk at dette var et tankeeksperiment som krevde umulig presise klokker. Prinsippet var greit.
Simulering av kollisjonen av sorte hull som produserte gravitasjonsbølgene oppdaget av LIGO 1. september 2015.
Jeg tenkte ikke mye mer på det før omtrent et år senere, da jeg begynte å innse noe om Webers eksperimenter: ingen fikk svaret han fikk. Han hadde fremsatt et stort og kraftig krav. Og jeg begynte å innse at kanskje dette var feil, og kanskje til og med ideen hans om hvordan det fungerer var feil.
Så jeg satte meg ned i et lite rom i bygning 20, kryssfinerpalasset i Vassar Street, og jobbet hele sommeren med ideen som jeg hadde snakket med elevene mine om. Og da jeg visste hva du kunne gjøre med lasere, fant jeg det ut: kunne du faktisk oppdage gravitasjonsbølger på denne måten? Og jeg kom til den konklusjonen at ja, du kunne oppdage gravitasjonsbølger, med en styrke som var mye bedre enn det Weber var ute etter.
Hva måtte til for å bringe denne ideen i fysisk form?
Vi bygde en 1,5 meter lang prototype i RLE [Research Laboratory of Electronics] ved å bruke [militær] finansiering, og var ganske godt på vei. Med en gang var finansieringen borte, på grunn av Mansfield-endringen, som var en reaksjon på Vietnamkrigen. I hodet til de lokale RLE-administratorene var forskning innen gravitasjon og kosmologi ikke i militærets interesse og støtte ble gitt til faststofffysikk, som ble ansett som mer relevant. For første gang måtte jeg skrive forslag til andre offentlige og private etater for å fortsette forskningen vår.
Ingen jobbet seriøst med gravitasjonsbølgeinterferometri ennå, selv om som jeg fikk vite senere, hadde andre også tenkt på det. En tysk gruppe ved Max Planck Institute i Garching hadde nettopp vært gjennom å bygge en Weber-bar. De hadde jobbet med italienerne og funnet ut at Weber tok feil. De hadde sannsynligvis gjort det aller beste eksperimentet av noen for å vise dette. Det var på midten av 70-tallet.
De ble bedt om å gjennomgå forslaget mitt til National Science Foundation, akkurat da de tenkte på neste ting å jobbe med. De hadde tenkt, som mange andre grupper i verden på den tiden, å lage enda bedre Weber-barer ved å kjøle dem ned til nær absolutt null. I stedet tok de en beslutning om å prøve interferometer-ideen. De ringte meg for å spørre om det var noen studenter som hadde blitt trent på 1,5 meter prototypen slik at de kunne tilby dem en jobb. (På akkurat det tidspunktet de ringte var det ingen; litt senere ble David Shoemaker, som hadde jobbet med MIT-prototypen, med i Garching-gruppen.) De bygde deretter en tre meter lang prototype, fikk den til å fungere og gjorde en vakker jobb .
Deretter bygde de en 30 meter lang. Noe senere begynte en gruppe i Glasgow, Skottland, regissert av Ronald Drever, som også hadde bygget en Weber-bar, å jobbe med interferometriske detektorer.
Da jeg fikk midler fra NSF og kom i gang igjen, hadde den tyske gruppen virkelig løst de fleste tekniske problemene med ideen og vist at alle beregningene jeg hadde gjort var riktige på pengene, at det fungerte akkurat som beregnet. De la også til noen egne ideer som gjorde det bedre.
Ved LIGO-detektoren i Livingston, Louisiana, tok det 40 dager å trekke ut luft til en verdi av over to millioner fotballer fra to fire kilometer lange vakuumkamre, noe som resulterte i en trilliondel av lufttrykket ved havnivå.
Et nøkkeltrinn var i 1975. Fordi jeg også gjorde studier i kosmisk bakgrunnsstråling støttet av NASA, ble jeg bedt av NASA om å lede en komité for bruk av romforskning innen kosmologi og relativitetsteori. Det som kom ut av den komiteen, for meg, var at jeg møtte [Caltech-fysiker] Kip Thorne, som jeg hadde bedt om å være vitne for komiteen.
Jeg hentet Kip på flyplassen en varm sommernatt da Washington, D.C., var fylt med turister. Han hadde ingen hotellreservasjon, så vi delte rom for natten. Vi endte opp med å bruke hele natten på å snakke om hva som kan være interessante eksperimenter for Caltech å gjøre. Kip hadde utviklet en av de beste teorigruppene innen gravitasjon ved Caltech og tenkte å bringe en eksperimentell gravitasjonsgruppe dit. Vi la ut på et stort stykke papir alle de forskjellige eksperimentene man kunne bygge en ny gruppe rundt. Jeg fortalte ham om dette vi jobbet med. Han hadde aldri hørt om det, og han ble veldig interessert. Det som kom ut av det var at Kip og jeg til slutt bestemte at Caltech og MIT skulle gjøre dette [prosjektet som ble LIGO] sammen.
Hva var noen viktige øyeblikk som drev prosjektet fremover?
På de senere 1970-tallet gjorde MIT-gruppen, nå inkludert Peter Saulson og Paul Linsay, en studie med industrien for å bestemme muligheten for å bygge et stort gravitasjonsbølgeinterferometer i kilometerskala. Studien så på hvordan man kan lage store vakuumsystemer og vurderte hvordan man kan bestemme kostnadene for å skalere opp prototypene, de mulige stedene der man kan bygge fem til 10 kilometer lange L-formede strukturer med minimum jordflytting, og tilgjengeligheten av optikk og lyskilder. Vi så på de mulige kildene til gravitasjonsbølger og flere konkurrerende interferometerkonsepter som hadde blitt prototype i forskjellige laboratorier i verden. Informasjonen ble lagt i en rapport, kalt Blue Book, og presentert for NSF i 1983. Forskere fra Caltech og MIT presenterte sammen ideene utviklet i Blue Book, samt resultatene av prototypeforskningen.
Forslaget vi presenterte var å gjøre et detektorsystem følsomt nok til å faktisk oppdage gravitasjonsbølger fra en astrofysisk kilde (ikke bare en ny prototype). Forslaget var å bygge to detektorer. Du kunne ikke gjøre vitenskap med en; du måtte ha to separate detektorer, like følsomme og lange nok.
MIT LIGO-gruppen i 2016. Forreste rad fra venstre til høyre: Haocun Yu, Ken Mason, Nergis Mavalvala, Maggie Tse, Rainer Weiss, Peter Fritschel, David Shoemaker, Hang Yu. Bakerste rad fra venstre til høyre: 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.
Det ble en skikkelig kamp senere. Du ønsket å opprettholde disse ideene, og folk ønsket senere å barbere det ned: Hvorfor ikke bare bygge en lang? Hvorfor bygge det så lenge? Alle disse argumentene ble fremsatt, men vi stakk det ut. Vi måtte – ellers ville vi aldri ha overlevd og vi ville ikke vært her i dag. Vi fikk en støtte fra komiteen: risikofylt forskning med mulighet for et dyptgående resultat, vel verdt å vurdere som et nytt prosjekt av NSF.
På midten av 1980-tallet prøvde NSF hele tiden å finne ut hvordan de skulle starte dette. Så, i 1986, skjedde en interessant ting som til slutt brøt blokken. Richard Garwin, som hadde jobbet med Enrico Fermi [1938 nobelprisvinner i fysikk] og med Department of Energy, og gjorde alle beregningene og gjorde selve utviklingen av den første hydrogenbomben, hadde blitt sjefforsker i IBM. Han hadde lest om Webers eksperimenter og besluttet sammen med en annen IBM-medarbeider å bygge en liten, mye smartere enn det Weber hadde bygget – og han så ingenting.
NSF prøvde å selge dette enorme nye programmet for gravitasjonsbølger. Garwin får nys om det, og han trodde han hadde drept denne dragen. Han skrev et brev til NSF og sa: Hvis du skal fortsette med dette, bør du ha en skikkelig studie.
Så vi drev en studie ved American Academy of Arts and Sciences på Beacon Street i Cambridge. Det var et én ukes møte med en utmerket komité av hardhendte forskere som gjennomgikk forskningen vi hadde gjort med prototypene, mulighetsstudiene for å lage et stort system, planene for plassering av systemet og kostnadsestimatene. Anbefalingen komiteen kom med var utrolig bra: prosjektet er absolutt verdt å gjøre, ikke del det opp i én detektor om gangen, lag det i full lengde, ikke flere prototyper. Den anbefalte også en endring i ledelsen av prosjektet til å ha en enkelt direktør fremfor en styringsgruppe, som var måten vi hadde styrt prosjektet frem til da.
I 1989 skrev vi et nytt forslag under ledelse av Rochus Vogt [en tidligere Caltech-provost], som det tok oss nesten seks måneder å skrive – det var et mesterverk. Forslaget var å bygge to tomter med fire kilometer lange interferometre. Interferometrene skulle settes opp. Den første detektoren var basert på forskning, nå rimelig moden, fra prototypene med en følsomhet som ga en sannsynlig sjanse for deteksjon. Den andre detektoren var basert på nyere, avanserte konsepter som ennå ikke var ferdig testet, men som ga muligheten til en god mulighet for deteksjon. Forslaget kom gjennom National Science Board og ble akseptert, og penger begynte å komme i betydelige beløp.
På 1990-tallet er resten av historien lettere. Nå under ledelse av Barry Barish [en fysikkprofessor i Caltech], ble stedene bygget og utviklet, vakuumsystemer ble laget, og vi begynte å kjøre de første detektorene. I 2010 hadde vi kjørt dem og gjort store forbedringer i følsomheten deres, men vi hadde ikke sett noe. Det var et rent ingenting; detektorene hadde kjørt ved design, og vi så ingen anomalier som kunne tolkes som gravitasjonsbølger. Basert på det faktum at vi [hadde oppnådd ønsket] designsensitivitet og hadde utført vitenskapen for å bestemme noen interessante øvre grenser for mulige kilder, mottok vi midler til å bygge Advanced LIGO.
LIGO-forsker og MIT-professor Nergis Mavalvala klemmer Rebecca Weiss på MIT-arrangementet som kunngjør oppdagelsen av gravitasjonsbølger. MIT-president L. Rafael Reif hadde nettopp ledet de som var samlet i Bush-rommet med å applaudere Weiss, og sa ... ingen tvil om at dette har vært ditt livsverk også.
Hvor viktig er denne oppdagelsen for deg?
Når det gjelder å ha oppfylt ambisjonene til mange av oss som har jobbet med dette, er det viktig. Det er signalet vi alle har ønsket å se, fordi vi visste om det, vi hadde aldri hatt ekte bevis på det, og det er grensen for Einsteins ligninger som aldri er observert før - dynamikken til geometrien til rom-tid i det sterke gravitasjonsfelt og høyhastighetsgrense.
For meg er det en avslutning på noe som har hatt en veldig komplisert historie. Feltligningene og hele historien til generell relativitet har vært kompliserte. Her har vi plutselig noe vi kan ta tak i og si at Einstein hadde rett. For en fantastisk innsikt og intuisjon han hadde.
Jeg kjenner en enorm lettelse og litt glede, men mest lettelse. Det er en ape som har sittet på skulderen min i 40 år, og han har tullet i øret mitt og sagt, Ehhh, hvordan vet du at dette virkelig kommer til å fungere? Du har engasjert en hel haug med mennesker. Tenk deg at det aldri fungerer? Og plutselig hoppet han av. Det er en stor lettelse.