211service.com
40 metų bandymas įrodyti, kad Einšteinas teisus
2015 m. rugsėjo 14 d. Raineris Weissas '55, PhD '62, pradėjo pirmąją savo atostogų dieną Meine darydamas tai, ką daro kiekvieną rytą po pusryčių, kad ir kur bebūtų: jis patikrino lazerinio interferometro gravitacinės bangos eksperimentų žurnalus. Observatorija (LIGO). Pranešimas, kad kitą dieną planuotas savaitinis remontas buvo atšauktas, fizikos profesoriui emeritui Weissui pasirodė keistai. Po kelių akimirkų gausybė el. laiškų nukreipė jį į svetainę su vaizdais, kurie jį pribloškė: LIGO, instrumentas, kurį jis sugalvojo prieš keturis dešimtmečius, užfiksavo signalą per vieną iš pirmųjų bandymų po didelio atnaujinimo. Jis sušuko, po kurio žmona ir sūnus pabėgo. Tada prasidėjo netikėjimas, sako jis. Signalas buvo per didelis ir per tobulas. Prireikė kelių dienų, kol iš tikrųjų pradėjau patikėti, kad tai tikras įvykis.
Po kelis mėnesius trukusios duomenų analizės ir pakartotinio tikrinimo tarptautinė tyrėjų komanda, vadovaujama MIT ir Caltech mokslininkų, vasarį paskelbė, kad signalas buvo iš dviejų masyvių juodųjų skylių, susidūrusių prieš 1,3 mlrd. Šis susidūrimas išleido galios pliūpsnį, kuris, kaip manoma, net 100 kartų viršijo visas visatos žvaigždes ir sukėlė LIGO užfiksuotą erdvėlaikio virpėjimą. Tai buvo pirmasis tiesioginis gravitacinių bangų aptikimas, kurį Einšteinas numatė prieš šimtmetį.
Kur prasideda LIGO istorija?
Čia jis prasidėjo 1967 m. Fizikos mokymo programos vadovas manęs paprašė perskaityti bendrosios reliatyvumo teorijos kursą. Iki 1967-ųjų metų bendrasis reliatyvumas buvo nustumtas į matematikos skyrius. Tai buvo gravitacijos teorija, tačiau daugiausia tai buvo matematika, ir daugumos žmonių mintyse ji neturėjo jokio ryšio su fizika. Ir tai daugiausia buvo dėl to, kad eksperimentai, siekiant įrodyti, kad tai buvo labai sunku padaryti – visi šie Einšteino teorijos numatyti efektai buvo be galo maži.
Einšteinas pažvelgė į skaičius ir matmenis, įtrauktus į jo gravitacinių bangų lygtis, ir iš esmės pasakė: „Tai tokia maža, kad niekada niekam neturės įtakos ir niekas negali to išmatuoti. Ir kai pagalvoji apie 1916 m. laikus ir technologijas, jis tikriausiai buvo teisus.
Didžiausias dalykas, nutikęs per pastaruosius 100 metų, yra tai, kad žmonės astronomijoje atrado dalykų, kurie labai skyrėsi nuo to, ką jie žinojo 1916 m. – sandariai kompaktiškus [gravitacinių bangų] šaltinius, nepaprastai tankius, kaip neutroninė žvaigždė, ir juodąsias skyles. Taip pat buvo technologija, skirta atlikti tikslius matavimus, nes jūs turėjote lazerius, mazerius, elektroniką, kompiuterius ir daugybę dalykų, kurių žmonės neturėjo 1916 m.
Taigi technologijos ir žinios apie visatą leido mums tuo metu, kai mes į tai įsitraukėme, mąstyti apie bandymą ieškoti gravitacinių bangų.
Septintajame dešimtmetyje Josephas Weberis iš Merilendo universiteto manė, kad galbūt technologija pasiekė tokį tašką, kad galima ieškoti gravitacinių bangų, ir jis išrado metodą, kaip tai padaryti. Jis įsivaizdavo savotišką ksilofoną, pagamintą iš masyvių rezonansinių strypų. Jis tikėjosi, kad ateis gravitacinė banga, patrauks vieną iš strypų ir ją suspaus, o kai banga pasitrauks, ji paliks pulsą, daiktas suskambės ir jūs girdėsite.
Tai buvo pirmoji mintis, kad turėtumėte daryti ką nors aktyvaus ir ieškoti gravitacinių bangų. Ir jis tvirtino atradimą septintajame dešimtmetyje.
Kai dėsčiau savo kursą, studentams buvo labai įdomu sužinoti, kas yra [Weberio eksperimentas]. Ir aš atvirai pasakysiu, kad visą gyvenimą negalėjau suprasti, ką jis daro. Tai buvo problema. Nes tai visiškai priešinosi kiekvienai intuicijai, kurią dabar sukūriau apie bendrąjį reliatyvumą. Negalėjau to paaiškinti mokiniams.
Tuo metu tai buvo mano bėda, ir tada buvo sukurtas išradimas. Aš pasakiau: ką paprasčiausiai galiu sugalvoti, kad parodyčiau šiems studentams, kad galite aptikti gravitacinės bangos įtaką?
Man akivaizdu, kad paimkime erdvėje laisvai plaukiojančias mases ir išmatuokime laiką, per kurį šviesa keliauja tarp jų. Gravitacinės bangos buvimas tą laiką pakeistų. Naudojant laiko skirtumą, galima išmatuoti bangos amplitudę. Šio proceso lygtis paprasta parašyti, ir dauguma klasės mokinių galėtų tai padaryti. Akimirkai pamirškite, kad tai buvo minties eksperimentas, reikalaujantis neįtikėtinai tikslių laikrodžių. Principas buvo geras.
2015 m. rugsėjo 1 d. LIGO aptiktas gravitacijos bangas sukėlusių juodųjų skylių susidūrimo modeliavimas.
Daugiau apie tai negalvojau, kol maždaug po metų, kai kai ką supratau apie Weberio eksperimentus: niekas negavo atsakymo, kurį jis gavo. Jis pateikė didžiulį ir galingą reikalavimą. Ir aš pradėjau suprasti, galbūt tai neteisinga, o gal net jo idėja, kaip tai veikia, buvo klaidinga.
Taigi aš atsisėdau mažame kambarėlyje 20 pastato faneros rūmuose Vassar gatvėje ir visą vasarą dirbau ties idėja, apie kurią kalbėjausi su savo mokiniais. Ir žinodamas, ką galite padaryti su lazeriais, aš išsiaiškinau: ar iš tikrųjų galite tokiu būdu aptikti gravitacines bangas? Ir aš padariau išvadą, kad taip, jūs galite aptikti gravitacines bangas, kurių stiprumas buvo daug geresnis nei Weberis.
Ko prireikė, kad ši idėja taptų fizine forma?
Mes kūrėme 1,5 metro prototipą RLE [Elektronikos tyrimų laboratorijoje], naudodami [karinį] finansavimą, ir mums sekėsi gana gerai. Dėl Mansfieldo pataisos, kuri buvo reakcija į Vietnamo karą, finansavimas iš karto dingo. Vietos RLE administratorių nuomone, gravitacijos ir kosmologijos tyrimai nebuvo suinteresuoti kariškiams, todėl buvo remiama kietojo kūno fizika, kuri buvo laikoma svarbesne. Pirmą kartą teko rašyti siūlymus kitoms vyriausybinėms ir privačioms agentūroms tęsti tyrimą.
Su gravitacinių bangų interferometrija dar niekas rimtai nedirbo, nors, kaip vėliau sužinojau, kiti taip pat apie tai pagalvojo. Vokiečių grupė Maxo Plancko institute Garchinge ką tik statė Weberio barą. Jie dirbo su italais ir nustatė, kad Weberis klydo. Jie tikriausiai atliko patį geriausią eksperimentą, kad tai parodytų. Tai buvo aštuntojo dešimtmečio vidurys.
Jų buvo paprašyta peržiūrėti mano pasiūlymą Nacionaliniam mokslo fondui, kai jie galvojo apie kitą darbą. Jie galvojo, kaip ir daugelis kitų pasaulio grupių tuo metu, padaryti dar geresnius Weber batonėlius atvėsinant juos iki absoliutaus nulio. Vietoj to jie nusprendė išbandyti interferometro idėją. Jie man paskambino ir paklausė, ar yra studentų, kurie buvo apmokyti 1,5 metro prototipo, kad galėtų jiems pasiūlyti darbą. (Būtent tuo metu, kai jie paskambino, jų nebuvo; šiek tiek vėliau Davidas Shoemakeris, dirbęs su MIT prototipu, prisijungė prie Garchingo grupės.) Tada jie sukonstravo trijų metrų prototipą, pradėjo jį veikti ir atliko puikų darbą. .
Toliau jie pastatė 30 metrų. Kiek vėliau grupė Glazge, Škotijoje, vadovaujama Ronaldo Dreverio, kuris taip pat buvo pastatęs Weber barą, pradėjo dirbti su interferometriniais detektoriais.
Tuo metu, kai gavau finansavimą iš NSF ir vėl pradėjau dirbti, vokiečių grupė iš tikrųjų išsprendė daugumą techninių problemų, susijusių su idėja, ir parodė, kad visi mano atlikti skaičiavimai buvo teisingi dėl pinigų, kad viskas veikia taip, kaip buvo apskaičiuota. Jie taip pat pridėjo keletą savo idėjų, kurios pagerėjo.
LIGO detektoriuje Livingstone, Luizianoje, prireikė 40 dienų, kad iš dviejų keturių kilometrų ilgio vakuuminių kamerų būtų ištraukta daugiau nei dviejų milijonų futbolo kamuolių vertė, todėl oro slėgis jūros lygyje buvo trilijonas.
Pagrindinis žingsnis buvo 1975 m. Kadangi taip pat studijavau kosminę foninę spinduliuotę, remiamą NASA, NASA paprašė vadovauti kosmoso tyrimų panaudojimo kosmologijos ir reliatyvumo srityse komitetui. Iš to komiteto man išėjo tai, kad sutikau [Caltech fizikus] Kip Thorne, kurio paprašiau būti komiteto liudytoju.
Kipą pasiėmiau oro uoste karštą vasaros naktį, kai Vašingtone buvo pilna turistų. Jis neturėjo viešbučio rezervacijos, todėl nakčiai pasidalinome kambariu. Visą naktį praleidome kalbėdami apie įdomius Caltech eksperimentus. Kipas sukūrė vieną geriausių gravitacijos teorijos grupių Caltech ir galvojo ten atvesti eksperimentinę gravitacijos grupę. Ant didelio popieriaus lapo išdėliojome visus skirtingus eksperimentus, kuriuose būtų galima sukurti naują grupę. Aš jam papasakojau apie šį dalyką, prie kurio dirbome. Jis niekada apie tai negirdėjo ir labai susidomėjo. Iš to išėjo tai, kad aš ir Kipas galiausiai nusprendėme, kad Caltech ir MIT kartu įgyvendins šį [projektą, kuris tapo LIGO].
Kokie buvo pagrindiniai momentai, paskatinę projektą į priekį?
Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje MIT grupė, kurią dabar sudaro Peteris Saulsonas ir Paulas Linsay, atliko tyrimą su pramonės atstovais, siekdami išsiaiškinti, ar įmanoma sukurti didelį, kilometro skalės gravitacinių bangų interferometrą. Tyrime buvo nagrinėjama, kaip sukurti dideles vakuumines sistemas ir kaip nustatyti prototipų padidinimo išlaidas, galimas vietas, kuriose būtų galima statyti nuo 5 iki 10 kilometrų ilgio L formos konstrukcijas su minimaliu žemės judėjimu, ir optikos prieinamumą. ir šviesos šaltiniai. Išnagrinėjome galimus gravitacinių bangų šaltinius ir keletą konkuruojančių interferometrų koncepcijų, kurios buvo sukurtos įvairiose pasaulio laboratorijose. Informacija buvo įtraukta į ataskaitą, vadinamą Mėlynąja knyga, ir pateikta NSF 1983 m. Caltech ir MIT mokslininkai kartu pristatė Mėlynojoje knygoje sukurtas idėjas ir prototipų tyrimo rezultatus.
Mūsų pateiktas pasiūlymas buvo padaryti detektorių sistemą pakankamai jautrią, kad iš tikrųjų aptiktų gravitacines bangas iš astrofizinio šaltinio (ne tik naujo prototipo). Buvo pasiūlyta pastatyti du detektorius. Su vienu negalėtum daryti mokslo; turėjote turėti du atskirus detektorius, vienodai jautrius ir pakankamai ilgus.
MIT LIGO grupė 2016 m. Pirmoje eilėje iš kairės į dešinę: Haocun Yu, Ken Mason, Nergis Mavalvala, Maggie Tse, Rainer Weiss, Peter Fritschel, David Shoemaker, Hang Yu. Galinėje eilėje iš kairės į dešinę: Lisa Barsotti, Marie Woods, Mike'as Zuckeris, Matthew Evansas, Johnas Milleris, Bobby Lanza, Adamas Libsonas, Myronas MacInnisas, Fabrice'as Matichardas, Reedas Essickas, Erikas Katsavounidis, Ryanas Lynchas, Salvatore Vitale.
Vėliau tai buvo tikra kova. Norėjote išlaikyti šias idėjas, o vėliau žmonės norėjo jas nuskusti: kodėl gi nepastačius vienos ilgos? Kam statyti taip ilgai? Visi šie argumentai buvo išsakyti, bet mes juos atlaikėme. Turėjome – kitaip niekada nebūtume išgyvenę ir mūsų čia nebūtų šiandien. Gavome komiteto pritarimą: rizikingas tyrimas su galimybe pasiekti gilų rezultatą, kurį verta apsvarstyti kaip naują NSF projektą.
Iki devintojo dešimtmečio vidurio NSF vis bandė išsiaiškinti, kaip tai pradėti. Tada, 1986 m., atsitiko įdomus dalykas, kuris galutinai nutraukė spūstį. Richardas Garwinas, dirbęs su Enrico Fermi [1938 m. Nobelio fizikos premijos laureatu] ir Energetikos departamentu, atlikęs visus skaičiavimus ir iš tikrųjų sukūręs pirmąją vandenilinę bombą, tapo vyriausiuoju IBM mokslininku. Jis perskaitė apie Weberio eksperimentus ir su kitu IBM partneriu nusprendė sukurti mažą, daug protingesnį nei Weberis, ir nieko nematė.
NSF bandė parduoti šią didžiulę naują programą, skirtą gravitacinėms bangoms. Garvinas tai suprato, ir jis manė, kad nužudė šį drakoną. Jis parašė laišką NSF, sakydamas: „Jei ketinate tai tęsti, geriau atlikite tikrą tyrimą.
Taigi atlikome tyrimą Amerikos menų ir mokslų akademijoje Beacon gatvėje Kembridže. Tai buvo vienos savaitės susitikimas su puikiu užkietėjusių mokslininkų komitetu, kuris peržiūrėjo tyrimus, kuriuos atlikome su prototipais, galimybių studijas sukurti didelę sistemą, sistemos išdėstymo planus ir išlaidų sąmatas. Komiteto rekomendacija buvo neįtikėtinai gera: projektas tikrai vertas, neskirstykite jo į vieną detektorių vienu metu, padarykite jį visą ilgį, ne daugiau prototipų. Ji taip pat rekomendavo pakeisti projekto valdymą, kad būtų vienas direktorius, o ne valdymo grupė, kaip mes iki tol valdėme projektą.
Iki 1989 m. parašėme dar vieną pasiūlymą, vadovaujant Rochus Vogt [buvęs Kaltecho provestas], kurį parašyti užtrukome beveik šešis mėnesius – tai buvo šedevras. Buvo pasiūlyta įrengti dvi aikšteles su keturių kilometrų ilgio interferometrais. Interferometrai turėjo būti pastatyti. Pirmasis detektorius buvo pagrįstas moksliniais tyrimais, kurie dabar yra pakankamai subrendę, iš prototipų, kurių jautrumas suteikė tikėtiną galimybę aptikti. Antrasis detektorius buvo pagrįstas naujesnėmis pažangiomis koncepcijomis, kurios dar nebuvo iki galo išbandytos, tačiau suteikė galimybę aptikti gerą galimybę. Pasiūlymas buvo pateiktas per Nacionalinę mokslo tarybą ir buvo priimtas, o pinigai pradėjo eiti didelėmis sumomis.
Dešimtajame dešimtmetyje likusi istorija yra lengvesnė. Dabar, vadovaujant Barry Barish [Caltech fizikos profesoriui], buvo statomos ir vystomos vietos, buvo kuriamos vakuuminės sistemos ir pradėjome paleisti pirmuosius detektorius. Iki 2010 m. mes juos paleidome ir labai pagerinome jų jautrumą, bet nieko nepastebėjome. Tai buvo švarus niekas; detektoriai veikė pagal projektą, ir mes nematėme jokių anomalijų, kurios galėtų būti interpretuojamos kaip gravitacinės bangos. Atsižvelgdami į tai, kad [pasiekėme norimą] projektavimo jautrumą ir atlikome mokslą, siekdami nustatyti keletą įdomių viršutinių galimų šaltinių ribų, gavome finansavimą pažangiajam LIGO sukurti.
LIGO mokslininkas ir MIT profesorius Nergis Mavalvala apkabina Rebecca Weiss MIT renginyje, skelbiančiame apie gravitacinių bangų atradimą. MIT prezidentas L. Rafaelis Reifas ką tik vadovavo susirinkusiems Busho salėje, plojo Weissui, sakydamas... be jokios abejonės, tai buvo ir jūsų gyvenimo darbas.
Kiek jums svarbus šis atradimas?
Kalbant apie daugelio mūsų, kurie šiuo klausimu dirbome, užmojus, tai labai svarbu. Tai yra signalas, kurį mes visi norėjome pamatyti, nes žinojome apie tai, niekada neturėjome tikro įrodymo, ir tai yra Einšteino lygčių riba, kurios anksčiau nebuvo pastebėtos – erdvės-laiko geometrijos dinamika stipriose. [gravitacinis] laukas ir didelio greičio riba.
Man tai yra uždarymas tam, kas turėjo labai sudėtingą istoriją. Lauko lygtys ir visa bendrosios reliatyvumo teorijos istorija buvo sudėtinga. Čia staiga turime kažką, už ką galime griebti ir pasakyti: Einšteinas buvo teisus. Kokią nuostabią įžvalgą ir intuiciją jis turėjo.
Jaučiu didžiulį palengvėjimą ir šiek tiek džiaugsmo, bet dažniausiai palengvėjimą. 40 metų man ant peties sėdi beždžionė, kuri bambėjo man į ausį ir sako: ech, kaip tu žinai, kad tai tikrai pavyks? Jūs įtraukėte daugybę žmonių. Tarkime, kad tai niekada neveikia? Ir staiga jis nušoko. Tai didžiulis palengvėjimas.