Rainer Weiss: A LIGO és a gravitációs hullámok 50 éve

Rainer Weiss fizikussal, aki a lényegre törő, igénytelen, és szívesen megvitatja kutatásait, rendkívül könnyű beszélgetni. Öt évvel ezelőtt munkája felét kereste 2017-es fizikai Nobel-díj, a másik fele pedig Barry Barish és Kip Thorne, „a LIGO detektorhoz és a gravitációs hullámok megfigyeléséhez nyújtott döntő hozzájárulásáért”. Az amerikai székhelyű Lézer Interferométer Gravitációs Hullám Obszervatórium (LIGO) Itt figyeltek meg először gravitációs hullámokat 2015-ben, ami véglegesen megerősítette Albert Einstein évszázados általános relativitáselméletének utolsó fennmaradt, teszteletlen jóslatát.

Annak ellenére, hogy előre jelezte létezésüket, maga Einstein kételkedett abban, hogy ezek a hullámok valaha is megfigyelhetők lesznek, mert rendkívül gyengék. Weiss áttörő ötlete a lézeres interferometria alkalmazására végül lehetővé tette ezt első megfigyelés – a Földtől 1.3 milliárd fényévnyire lévő két fekete lyuk egyesüléséből kibocsátott gravitációs hullámokról – és még sok más, amit a LIGO azóta észlelt. Weisstől, Nobel-kollégáitól és sok mástól több évtizedes erőfeszítést igényelt, és a felfedezés a fizika csúcsát jelentette, amely egyben új korszakot nyitott a csillagászatban. A megfigyelő csillagászat megjelenése óta az univerzumot leginkább úgy pásztáztuk, hogy először a látható fényt, majd az elektromágneses hullámok széles spektrumát figyeltük meg. Most a gravitációs hullámok képesek voltak új módszert nyújtani számos kozmikus jelenség vizsgálatára. Mindössze hét évvel a gravitációs csillagászat születése után már sok értékes új ismeretet hozott létre.

A náci Németországból az USA-ba, Prágán keresztül

A három Nobel-díjas mindegyike a saját ívét követte e sikerek felé. Weiss útja megmutatja, hogyan formálódnak tehetséges kísérleti fizikusok, hogyan születhetnek új tudományos ötletek váratlan irányokból, és milyen kitartásra van szükség egy nagyszabású fizikai kísérlet megvalósításához.

Weiss Berlinben, Németországban született 29. szeptember 1932-én, a nácik hatalomra jutása idején. Weiss apja, Frederick, akit Rainer fiatal korától fogva „buzgó és idealista kommunistának” ír le, orvos volt. Zsidóként és náciellenes kommunistaként, aki egy náci orvos ellen tanúskodott, akit visszaélésekkel vádolnak, Fredericket a nácik őrizetbe vették, amikor Rainer anyja, Gertrude terhes volt tőle. Keresztény felesége parancsára, akinek családja helyi kapcsolatban állt, Frigyest szabadon engedték és Prágába küldték. Amikor Rainer megszületett, Gertrude kisbabájával utazott, hogy csatlakozzon Frederickhez Csehszlovákiába, ahol a párnak 1937-ben született egy másik gyermeke, Sybille.

Ám amikor az 1938-as müncheni megállapodás lehetővé tette a német csapatok belépését Csehszlovákiába, a családnak ismét meg kellett szöknie. „A döntést egy rádióban hallottuk, miközben Szlovákiában nyaraltunk, és csatlakoztunk egy nagy csoporthoz, akik Prága felé tartottak, hogy vízumot szerezzenek, hogy a világ szinte bármely más helyére kivándoroljanak, ahol zsidókat fogadnak” – emlékszik vissza Rainer Nobel-életrajzában. . A család 1939-ben költözött az Egyesült Államokba. Az akkori bevándorlási törvény szerint ez csak Frederick hivatása miatt volt lehetséges, és mert egy „nagyon csodálatos nő”, ahogy Weiss nevezi, a St Louis-i jótékonykodó Stix családból kötvényt kötött. garantálni, hogy Weissék nem jelentenek terhet a közösségnek.

Weiss New Yorkban nőtt fel, ahol kezdetben állami iskolába járt. Ötödik osztályban ösztöndíjat kapott egy helyi menekülteket segítő szervezeten keresztül, hogy csatlakozzon Columbia Gimnázium – egy magániskola Manhattan közepén, amely egy időben a diákok felkészítésével járt Columbia Egyetem. A zene, a tudomány és a történelem voltak a kedvenc kurzusai, és tinédzserként egyedi high-fidelity vagy „hi-fi” audiorendszereket épített a klasszikus zene szerelmeseinek.

Ez az érdeklődés és a saját kíváncsisága vitte végül a fizikába. A tökéletes hangvisszaadásra törekvő Weiss megpróbálta elektronikusan kiküszöbölni azt a háttérzajt, amelyet a fonográftű kelt, miközben egy régimódi lemezen a barázdában mozog, ami elrontotta a zenét. Erőfeszítései azonban kudarcot vallottak, és úgy döntött, hogy egyetemre megy, hogy eleget tanuljon ahhoz, hogy képes legyen megoldani a problémát. Az oktatás ekkor kezdődött Massachusetts Institute of Technology (MIT) A 1950.

Elektronikától a fizikáig, kerülő úton

Az MIT elektromérnöki szakán Weisstől elvárták, hogy megismerje a generátorokat és a távvezetékeket, mielőtt tanulmányozhatta az őt igazán érdeklő elektronikát. Ez a merev terv nem volt ínyére, ezért második évében áttért a fizikára, mert „kevesebb követelmény volt” és rugalmasabb volt a tananyag. De ez sem ment azonnal. 1952-ben Weiss beleszeretett egy fiatal nőbe, egy zongoraművészbe. A kapcsolat nem végződött jól, és összetört szívvel Weiss minden tanfolyamán megbukott, és el kellett hagynia az MIT-t.

De nem veszett el minden. 1953 tavaszára visszatért az MIT-hez, mint technikus, aki az intézetben dolgozott Jerrold Zacharias fizikus atomsugár laboratóriuma, aki kifejlesztette az első atomórát. „A laboratóriumban végzett tudomány kiváló volt” – emlékszik vissza Weiss. „Az ottani kísérletek olyan izolált atomok és molekulák tulajdonságait vizsgálták, amelyeket a szomszédos rendszerek nem zavartak meg. Mindegyik atom ugyanolyan volt, mint a következő, és alapvető kérdéseket lehetett feltenni a szerkezetükről és az őket összetartó kölcsönhatásokról.” Ami abból indult ki, hogy segítette a végzős hallgatókat szakdolgozati projektjeikben, végül Weiss közvetlenül Zachariasszal dolgozott a cézium atomsugaras óra, ami végül is az lesz a Szabványügyi Hivatal (jelenleg Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet) és az Egyesült Államok haditengerészetének időmérőjeként fogadták el.

Zakariás mentorálásával Weiss befejezte az övét fizika főiskolai diplomát, majd 1962-ben PhD fokozatot szerzett, és megismerkedett a nagy pontosságú kísérletezéssel, ami egy kulcsfontosságú szál, amely a LIGO-hoz vezetett. Egy további kulcsfontosságú téma merült fel, amikor Weiss csillagász és fizikus mellett kutató munkatársként dolgozott. Robert Dicke a Princetoni Egyetemen, akit Weiss „életem egyik hősének” nevez. Dicke és Weiss egy modern változat kifejlesztését vizsgálta Eötvös kísérlet, hogy megértsük az általános relativitáselmélet ekvivalenciaelvét a tehetetlenségi és gravitációs tömeg egyenértékűségének bizonyításával. Mivel Dicke új gravitációs elmélete a skaláris mezőt az általános relativitáselmélet tenzormezőjével kombinálta, az volt az ötlete, hogy készítsen egy kísérletet, amely megmérné, hogyan rezegne az egész Föld, ha elhaladna egy gravitációs hullám. A kísérlet célja a skaláris gravitációs sugárzás spektrumának mérése volt, de megállapították, hogy a kvarc graviméterük érzékenysége erősen korlátozott a geofizikai zaj miatt. Annak ellenére, hogy a tanulmány sikertelen volt, Weiss olyan kísérleti technikákat tanult meg, amelyek Dicke úttörője volt, és amelyek végül nélkülözhetetlenek lesznek a LIGO-hoz és sok más fizikai kísérlethez is. Valójában Weiss úgy találta, hogy ez a két Princetonban töltött év „mélyen fontos volt tudományos fejlődésemben”.

Miután 1964-ben csatlakozott a MIT fizika karához adjunktusként, Weiss egy kozmológiai projekten dolgozott, amely a kozmikus mikrohullámú háttér (CMB) spektrumát mérte., az Ősrobbanás ereklyéje, amely még mindig betölti az univerzumot. Hozzájárult ahhoz a kutatáshoz, amely megállapította, hogy a CMB gyakorlatilag tökéletes feketetest-görbét követ 2.7 K forráshőmérséklettel – aminek felfedezése egy 2006 Nobel-díj a vezető tudósoknak, John Mathernek és George Smootnak.

Gravitáció mérése egy osztályteremben

Weiss továbbra is a gravitációs hullámokról gondolkodott, különösen akkor, amikor felkérték, hogy mutasson be egy általános relativitáselméleti kurzust az MIT-n. Ez nem volt könnyű. Az általános relativitáselmélet matematikája ijesztő, és a tantárgyat tanító kurzusok inkább matematikai, mint fizikai jellegűek voltak. Ma Weiss ezt mondja: „Nem vagyok teoretikus. Vízvezeték-szerelő vagyok… vákuumos vízvezeték-szerelő, elektromos vízvezeték-szerelő, de vízvezeték-szerelő.” Így hát tanítványaival együtt tanulták a matekot – ám kísérleti háttere váratlanul igen jelentőssé vált.

Ahogy Weiss kifejti, abban az időben Joseph Weber, a Marylandi Egyetem munkatársa gravitációs hullámokat próbált észlelni a nagy alumíniumhengerek hosszváltozásának mérésével hullámként. Amikor a diákok az ilyen mérésekről kérdezték Weisst, egy pedagógiaival állt elő gondolatok kísérlet, hogy elvileg bemutassa, hogyan lehet ezeket elkészíteni. Helyezzen két tömeget egymástól bizonyos távolságra a szabad térbe, az egyiket impulzuslézerrel, a másikat pedig tükörrel. Most mérje meg a lézerfény oda-vissza utazási idejét – és ezzel a távolságot is. Ha egy elhaladó gravitációs hullám megváltoztatja a távolságot, akkor kellően pontos időmérések mutatják a hatást. Mivel minden mérést a lézer tér-idő helyén végeznek, az általános relativitáselmélet számítása egyszerűvé válik – sőt Weiss osztályproblémaként rendelte hozzá.

Weber 1969-es gravitációs hullámok észlelését soha nem sikerült megismételni, de a munkája által inspirált példa LIGO-vá nőtte ki magát. Weiss továbbfejlesztette az eredeti ötletet egy második sugárúttal, amelynek egyik végén egy tükör található, és az első útra merőlegesen, „L” alakban, a csomópontban egy sugárosztóval. Ez egy Michelson-interferométer, amely ultraprecízen mérte a fénysebességet az 1887-es Michelson-Morley-kísérletben és a CMB-spektrumot is. Az általános relativitáselméletben a karok síkjára merőlegesen haladó gravitációs hullám az egyiket meghosszabbítja, a másikat pedig összehúzza, megváltoztatva a két karban lévő fényhullámok interakcióját. Weiss arra a következtetésre jutott, hogy ez sokkal érzékenyebb lenne, mint egyetlen útvonalon mérni az utazási időt.

Weiss felidézi, hogy 1971 nyarán „egy kis szobában ült, és kiszámolta mindazokat a dolgokat, amelyek zavarhatják a kísérletet”, beleértve a zajforrásokat is. Eredménye figyelemreméltó volt: több kilométer hosszú karokkal akár 10 percnyi távolságváltozást is mérni lehetett.^-18 m – a proton méretének alig egy ezreléke – mivel az elhaladó gravitációs hullámok a teret 10-es feszültséget okozva^-21.

Tesztágy és első megfigyelések

Weiss néhány kollégája szkeptikus volt a gravitációs hullámokkal kapcsolatban, de ő folytatta ötletének fejlesztését. Kísérleti igazolást kapott, amikor a laboratóriumában és egy német csoport által épített kis tesztinterferométerek végezték el számításait. A szélesebb körű támogatás 1975 után jött, amikor Weiss újra felvette a kapcsolatot Princetoni korából származó ismerősével. Kip Thorne, a Caltech elméleti fizikusa. Látva a gravitációs hullámok kutatásában rejlő lehetőségeket, Thorne támogatta Weiss ötletét a Caltechnél. 1979-ben a National Science Foundation finanszírozta a Caltechet és az MIT-t az interferometrikus detektálás megvalósíthatósági tanulmányának elkészítésére. 1990-re a valaha adott legnagyobb támogatással támogatta a LIGO-t, mint a Caltech-MIT műveletet. Ez lehetővé tette azonos detektorok építését 4 km hosszú karokkal Hanford, Washington és Livingston, Louisiana, a véletlenek tanulmányozása érdekében, hogy megerősítsék az esetleges észleléseket. Ezek számos, kísérleti fizikus által kidolgozott műszaki koncepciót tartalmaztak Ronald Drever a Caltech-től.

Miután a LIGO 2002-ben megkezdte működését, elérte az előre jelzett érzékenységet, de kilenc évig nem észleltek gravitációs hullámokat. Az eszközöket ezt követően jelentősen továbbfejlesztették, jobban elszigetelték a zajforrásoktól, aminek eredményeként „fejlett LIGO” (aLIGO) több mint öt évvel később. 10-szeresére növelt érzékenységgel, be 14. szeptember 2015., ALIGO elvégezte az első olyan gravitációs hullámok megfigyelését, amelyek két összeolvadó fekete lyukból származnak – ez egy csodálatos felfedezés, mivel a gépet még mindig kalibrálták az első hivatalos futtatásra (Fizika Világa 2017; 30 (10) 33).

Néhány évvel később, tovább 17. augusztus 2017-én az aLIGO elvégezte az első gravitációs hullámok megfigyelését két egyesülő neutroncsillagról (az olaszországi Virgo gravitációs hullámdetektor is részt vett). Ezek nem elszigetelt események voltak. Utolsó megfigyelési futtatásának végére, amely 2021 végén fejeződött be, az aLIGO összesen 90 megfigyelés két fekete lyuk (a többség), két neutroncsillag vagy egy fekete lyuk és egy neutroncsillag egyesüléséről. 

Visszatekintés, előretekintés

Weiss ujjong a gravitációs csillagászat első hét évében. „Úgy gondolom, hogy a LIGO óriási sikert aratott” – mondja, és különösen dicséri, hogyan érvényesíti az általános relativitáselméletet és a fekete lyukak asztrofizikáját. A LIGO eredményei azt mutatják, hogy elég jól megértjük a fekete lyukakat ahhoz, hogy megjósolhassuk két test kölcsönhatásának részleteit, amit az általános relativitáselméletben éppoly nehéz kiszámítani, mint a klasszikus fizikában a három test problémáját. Egy másik eredmény a LIGO katalógusa a változó tömegű fekete lyukak közötti kölcsönhatásokról, amely támpontokat ad arra vonatkozóan, hogyan alakulhatnak ki belőlük a galaxisok középpontjában lévő szupermasszív fekete lyukak.

Weiss egy olyan eseményt is kiemel, amely „a legnagyobb felhajtást okozta, és annyi tudományt produkált, hogy az hihetetlen”. A 2017-ben megfigyelt két egymásnak ütköző neutroncsillag elektromágneses sugárzást is generált, a gamma-sugárzástól a rádióhullámokig, amit a világ különböző pontjain lévő obszervatóriumok követtek (ld. "Egy új kozmikus hírnök” írta Bartos Imre). A „több üzenetküldős” csillagászat e kiváló példája pontos helyszínt adott az eseménynek; megmutatta, hogy a kölcsönhatás aranyat és platinát termelt, új betekintést adva abba, hogyan készítenek nehéz elemeket a csillagok; megerősítette, hogy a gravitációs hullámok pontosan fénysebességgel haladnak; és új módot biztosított a Hubble-állandó mérésére, és talán megnyugtatta az értékével kapcsolatos jelenlegi bizonytalanságokat.

Weiss lelkesedése nő, amikor a gravitációs csillagászat jövőjéről kérdezik. Az egyik összetevő lenne a Cosmic Explorer interferométer, javasolta Matthew Evans és a Narcissus Mavalvala az MIT-ben. A Weiss határozottan támogatja ezt az új generációs eszközt, amelynek 40 km hosszú karjai tízszer érzékenyebbé tennék, mint a fejlett LIGO. Az európai tudósok a háromszöget fontolgatják Einstein teleszkóp 10 km hosszú karokkal, az Európai Űrügynökség pedig a háromszög fellövést javasolja Lézeres interferométer űrantenna (LISA) a 2030-as években. Három űrszondája – amelyek egymástól 2.5 millió km-re helyezkednek el, és lézereket és tükröket szállítanak – hiperérzékeny detektort alkotna.

Mindegyik detektor különböző frekvenciájú gravitációs hullámokra reagál, amelyek fordítottan függenek a sugárzó tárgy tömegétől. Ahogyan a hagyományos csillagászat az elektromágneses spektrum különböző részeit használja fel különféle égi jelenségek tanulmányozására, úgy kezdünk látni olyan gravitációs obszervatóriumokat, amelyek a gravitációs események különböző osztályainak észlelésére vannak hangolva. A fekete lyukak esetében a lehetőségek a kis hipotetikus ősfekete lyukak keresésétől egészen annak megértéséig terjednek, hogy a szupermasszív fekete lyukak hogyan kapcsolódnak a galaxisok kialakulásához. Az egyesülő neutroncsillagok gravitációs hullámai elmélyítik ismereteinket a csillagok evolúciójáról és a sűrű maganyagról. A pulzárokból is származhatnak, hogy kiegészítsék azt, amit az elektromágneses hullámok feltárnak róluk. Spekulatívabb módon, egyes kutatók azt sugallják, hogy a több üzenetküldős módszerekkel kimutatható, hogy a galaxisunk közepén lévő szupermasszív fekete lyuk valóban egy féregjárat egyik vége-e.

Weisst leginkább az izgatja meg ezekben a készülőben lévő detektorokban, hogy „látványos tudományt művelhetnek azáltal, hogy a területet a kozmológiába, az egész univerzum tanulmányozásába vonják be”. Mint kifejti, az orosz teoretikus Alekszej Starobinskiǐ kimutatta, hogy ha vákuum-ingadozás indítja el a kozmosz működését, akkor az univerzum gyors kozmikus inflációja során az elképzelhetetlen gyorsulás sok alacsony frekvenciájú gravitációs hullámot generálna. A kozmikus háttérsugárzáshoz hasonlóan ezek is maradék univerzális hátteret képeznének, de az ősrobbanáshoz nagyon közeli időkből származnak, és új információkat hordoznak a korai folyamatokról, például a sötét anyag keletkezéséről. Ezeket a hullámokat nehéz lenne észlelni, de a kutatók olyan földi és űrbeli detektorok kombinációját tervezik, amelyek új eszközt alkotnának a fizika, csillagászat és kozmológia néhány nagy kérdésének megtámadására.

De ahogy elmélkedik hosszú karrierjéről és jövőbeli kutatásairól, Weiss nem akarja összefoglalni a dolgokat azzal, hogy egyszerűen „nem vagyok az a fajta srác”. Kiábrándító lehet, ha nincs egy végső hangharapás, de aztán Rainer Weiss már ékesszólóan elmondta a LIGO sikeres felépítése iránti több évtizedes elkötelezettségében, a gravitációs hullámok tudományának további fejlődéséről szóló elképzelésében és mindkettő iránti ragályos szenvedélyében. mindent, amit mondania kell.