歴史上最大の実験の XNUMX つを概念化し、構築する重要な実験家の XNUMX 人として、ノーベル賞を受賞した物理学者 ライナーワイスの成功への道は驚くべきものです。 現在90歳の彼が話す シドニー・ペルコウィッツ 科学的インスピレーションの予想外の情報源から大規模な実験への挑戦まで、彼の人生と仕事について
現実的で、控えめで、彼の研究について熱心に話し合う物理学者のライナー ワイスは、非常に話しやすいです。 XNUMX 年前、彼の仕事は彼の収入の半分でした。 2017年ノーベル物理学賞残りの半分は、「LIGO 検出器と重力波の観測への決定的な貢献」に対して、Barry Barish と Kip Thorne に送られます。 米国を拠点とする レーザー干渉計重力波観測所 (LIGO) 重力波が 2015 年に最初に観測された場所であり、アルバート アインシュタインの XNUMX 年前の一般相対性理論からの最後の未検証の予言を決定的に確認しました。
それらの存在の前兆であるにもかかわらず、アインシュタイン自身は、これらの波が非常に弱いため、観測可能になるとは考えていませんでした. レーザー干渉計を使用するという Weiss の画期的なアイデアにより、最終的にそれが可能になりました。 最初の観測 - 地球から 1.3 億光年離れた XNUMX つのブラック ホールの合体から放出される重力波の – そして、LIGO がそれ以降に検出した多くのもの。 ワイス、彼のノーベル賞の同僚、および他の多くの人々の何十年にもわたる努力が必要であり、この発見は物理学の頂点であり、天文学の新時代の幕開けでもありました。 観測天文学の出現以来、私たちは主に最初に可視光を観測し、次に広範囲の電磁波を観測することによって宇宙をスキャンしてきました。 現在、重力波は多くの宇宙現象を調査する新しい方法を提供することができました. 重力天文学の誕生からわずか XNUMX 年で、すでに多くの貴重な新しい知識が生み出されています。
ナチスドイツからプラハ経由でアメリカへ
XNUMX 人のノーベル賞受賞者はそれぞれ、これらの成功に向けて独自の軌跡をたどりました。 ワイスの歩みは、才能のある実験物理学者がどのように形成されるか、新しい科学的アイデアが予想外の方向からどのように生まれるか、そして大規模な物理実験を実現するためにいかに忍耐が必要であるかを示しています。
ワイスは、ナチスが権力の座に就いた29年1932月1937日にドイツのベルリンで生まれました。 レイナーが幼い頃から「熱烈で理想主義的な共産主義者」と表現するワイスの父、フレデリックは医師でした。 ユダヤ人で反ナチスの共産主義者として、医療過誤で告発されたナチスの医師に対して証言したフレデリックは、レイナーの母親であるガートルードが彼を妊娠していたときにナチスに拘束されました。 家族が地元のつながりを持っていたクリスチャンの妻の要請で、フレデリックは釈放され、プラハに送られました。 ライナーが生まれると、ガートルードは生まれたばかりの赤ちゃんを連れてチェコスロバキアのフレデリックに会いに行き、XNUMX年に別の子供シビルが生まれました.
しかし、1938 年のミュンヘン協定により、ドイツ軍がチェコスロバキアに入ることが許可されたとき、家族は再び逃げなければなりませんでした。 「私たちはスロバキアでの休暇中にラジオで決定を聞き、ユダヤ人を受け入れる世界の他のほとんどの場所に移住するためのビザを取得しようとプラハに向かう大勢の人々に加わりました」とレイナーはノーベル賞の伝記で回想しています。 . 一家は 1939 年に米国に移住しました。当時の移民法の下では、これが可能だったのは、フレデリックの職業と、セント ルイスの慈善家スティックス家出身のワイスが彼女を「とても素晴らしい女性」と呼んでいたためでした。 Weisses がコミュニティの負担にならないようにするためです。
ワイスはニューヨーク市で育ち、最初は公立学校に通っていました。 小学XNUMX年生の時に奨学金を得て、地元の難民支援団体を通じて入団。 コロンビアグラマースクール – マンハッタン中部にある私立学校で、かつては生徒の準備に関連していました。 コロンビア大学. 音楽、科学、歴史は彼のお気に入りのコースでした。XNUMX 代の頃、彼はクラシック音楽愛好家のためにカスタムのハイファイまたは「ハイファイ」オーディオ システムを構築しました。
その興味と彼自身の好奇心が最終的に彼を物理学へと導きました。 完璧な音の再生を求めて、ワイスは蓄音機の針が昔ながらのレコード盤の溝に沿って移動するときに発生するバックグラウンド ノイズを電子的に除去しようと試みました。これは音楽を損なうものでした。 しかし、彼の努力は失敗に終わり、彼は大学に行って問題を解決するのに十分なだけのことを学ぼうと決心しました。 その教育は マサチューセッツ工科大学（MIT） 1950インチ
回り道を経て、エレクトロニクスから物理学へ
マサチューセッツ工科大学で電気工学を専攻していたワイスは、本当に興味のある電子工学を学ぶ前に、発電機と送電線について学ぶことが期待されていました。 この厳格な計画は彼の好みに合わなかったため、1952 年目に物理学に切り替えました。「要件が少なく」、カリキュラムがより柔軟だったからです。 しかし、それもすぐにはうまくいきませんでした。 XNUMX年、ワイスはピアニストの若い女性と恋に落ちました。 関係はうまくいかず、悲嘆に暮れたワイスはすべてのコースに失敗し、MITを去らなければなりませんでした。
しかし、すべてが失われたわけではありません。 1953 年の春までに、彼は技術者として MIT に戻りました。 物理学者ジェロルド・ザカリアスの原子ビーム研究所世界初の原子時計を開発した人物。 「その研究室で行われている科学は非常に優れていました」と Weiss 氏は回想します。 「そこでの実験では、隣接する系によって摂動されていない、孤立した単一の原子と分子の特性を調べていました。 各原子は次の原子と同じであり、それらの構造とそれらを結び付ける相互作用について基本的な質問をすることができました。」 大学院生の論文プロジェクトを支援する役割として始まったことが、最終的に Weiss が Zacharias と直接協力して、 セシウム原子ビーム時計、最終的には 標準局 (現在の国立標準技術研究所) と米国海軍の時間の標準として採用されました。
ザカリアスの指導の下、ワイスは彼の 物理学の学士号、その後 1962 年に博士号を取得、LIGO につながる重要なスレッドである高精度の実験について学びました。 ワイスが天文学者および物理学者の下で研究員として働いていたときに、さらに重要なテーマが生じました プリンストン大学のロバート・ディッケ、ワイスが「私の人生のヒーローの一人」と呼んでいる. ディッケとワイスは、 エトヴェシュ実験、慣性質量と重力質量の等価性を証明することにより、一般相対性理論の等価原理を理解する。 ディッケの新しい重力理論はスカラー場と一般相対性理論のテンソル場を組み合わせたもので、彼のアイデアは、重力波が通過した場合に地球全体がどのように振動するかを測定できる実験を構築することでした。 この実験の目的は、スカラー重力放射のスペクトルを測定することでしたが、彼らの石英重力計の感度は、地球物理学的ノイズのために大幅に制限されていることがわかりました。 研究は失敗に終わりましたが、ワイスはディッケが開拓した実験技術を学び、最終的には LIGO や他の多くの物理実験にも不可欠であることが証明されました。 実際、ワイスはプリンストン大学での XNUMX 年間が「私の科学的発展にとって非常に重要だった」ことを発見しました。
1964年に助教授としてMITの物理学部に入った後、 ワイスは、宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) のスペクトルを測定する宇宙プロジェクトに取り組みました。、今もなお宇宙を満たしているビッグバンの遺物。 彼は、 CMB 源温度 2.7K でほぼ完全な黒体曲線に従います。 2006 年のノーベル賞は主任科学者のジョン メイザーとジョージ スムートに贈られました。.
教室での重力測定
ワイスは、特に MIT で一般相対性理論の講義を依頼されたとき、重力波について考え続けました。 これは簡単ではありませんでした。 一般相対性理論の数学は困難であり、この主題を教えるコースは物理的というよりも数学的でした。 今日それについて話し合って、ワイスは次のように述べています。 私は配管工です…真空配管工、電気配管工ですが、配管工です。」 そこで、彼と彼の生徒たちは一緒に数学を学びましたが、予想外に、彼の実験的背景は非常に重要なものになりました。
ワイスが説明するように、当時 メリーランド大学のジョセフ・ウェーバーは重力波を検出しようとしていました 波が通過するときの大きなアルミニウムシリンダーの長さの変化を測定することによって。 学生がそのような測定についてワイスに尋ねたとき、彼は教育学的な方法を思いつきました 考え それらがどのように作られるかを原理的に示すための実験。 自由空間に XNUMX つの質量を少し離して置きます。XNUMX つはパルス レーザーを使用し、もう XNUMX つはミラーを使用します。 次に、レーザー光の往復移動時間を測定し、距離を測定します。 通過する重力波が距離を変化させる場合、十分に正確な時間測定がその影響を示します。 すべての測定はレーザーの時空位置で行われるため、一般相対性理論の計算は簡単になります。実際、Weiss はそれをクラスの問題として割り当てました。
初期の計画から最終結果まで
1969 年にウェーバーが主張した重力波の検出は再現されませんでしたが、彼の研究に触発された例は LIGO に発展しました。 Weiss は、一方の端にミラーを備えた 1887 番目のビーム経路を追加することで、元のアイデアを改善しました。このビーム経路は、接合部にビーム スプリッターを備えた「L」字型の最初の経路に直角に設定されています。 これはマイケルソン干渉計で、XNUMX年のマイケルソン・モーリー実験で光速とCMBスペクトルを超精密に測定しました。 一般相対性理論では、腕の平面に垂直に移動する重力波は、一方を伸ばして他方を収縮させ、XNUMX つの腕の光波がどのように干渉するかを変化させます。 これは、XNUMX つの経路に沿って移動時間を測定するよりもはるかに感度が高いと Weiss は結論付けました。
Weiss は、1971 年の夏、騒音源を含め、「小さな部屋に座って、その実験を妨害するすべてのものを計算していた」ことを思い出します。 彼の結果は驚くべきものでした: 数キロの長さの腕で、わずか 10 の距離の変化を測定することが可能でした。-18 m – 陽子のサイズのわずか 10 分の XNUMX – 通過する重力波が空間に応力を加えて XNUMX のひずみを引き起こすため-21.
テストベッドと最初の観測
ワイスの同僚の何人かは重力波に懐疑的でしたが、ワイスは自分の考えを発展させ続けました。 彼の研究室とドイツのグループによって構築された小さなテスト干渉計が彼の計算を実証したとき、それは実験的な検証を受けました。 ワイスがプリンストン時代の知人と再会した1975年以降、幅広い支持が得られた。 カリフォルニア工科大学の理論物理学者キップ・ソーン. 重力波研究の可能性を見て、ソーンはカリフォルニア工科大学でワイスのアイデアを支持しました。 1979 年に 全米科学財団 カリフォルニア工科大学と MIT に資金を提供して、干渉検出の実現可能性調査を実施しました。 1990 年までに、カリフォルニア工科大学と MIT の共同事業として LIGO を支援し、これまでで最大の助成金を提供しました。 これにより、長さ 4 km のアームを備えた同一の検出器の構築が可能になりました。 ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストン、目撃情報を確認するための偶然の研究。 これらには、実験物理学者によって開発された多くの技術的概念が組み込まれています カリフォルニア工科大学のロナルド・ドレバー。
LIGO タイムライン
- 1970〜1980年代 レイナー ワイスによるキロメートル スケールのレーザー干渉計の実現可能性調査に続いて、国立科学財団はさらなる調査のためにカリフォルニア工科大学と MIT に資金を提供し、その後、 LIGO 彼らの共同プロジェクトとして。
- 1990-1999 ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストンでの LIGO の建設が承認され、資金が提供され、完成しました。 LIGO は 1999 年に発足しました。
- 2002-2010 LIGOが操業を開始。 研究は初期設計感度で開始されますが、重力波は観測されません。 から始まるコラボレーション おとめ座干渉計 イタリアで。
- 2011-2017 LIGO は高度な LIGO に更新され、感度が 10 倍向上しました。 観測実行 O1 と O2 は、それぞれ 2015 ～ 2016 年と 2016 ～ 2017 年に続きます。
- 14年2015月XNUMX日 LIGO は最初に、合体する XNUMX つのブラック ホールからの重力波を検出します。
- ２０２０年 ８月１２日 LIGO/Virgo は、合体する XNUMX つの中性子星からの重力波を初めて検出しました。 このイベントは、電磁波天文学によっても追跡されています。
- 3年 2017月日 ライナー・ワイス、バリー・バリッシュ、キップ・ソーンが 2017 年のノーベル物理学賞を受賞.
- 2019-2020 O3の実行を観察しています。
- ２０２０年１１月１２日 O3 の結果は、O1 と O2 の結果と合わせて、90 年以降合計 2015 個のイベントです。これらは、ブラック ホール、中性子星、またはブラック ホールと中性子星の連星合体です。
- 2023月XNUMX日 XNUMX:XNUMX 開始予定日 ランO4の観察.
2002 年に LIGO が運用を開始した後、予想された感度を達成しましたが、XNUMX 年間、重力波は検出されませんでした。 その後、デバイスは大幅に改善され、ノイズ源からの分離が向上しました。 「高度なLIGO」（aLIGO） 10年以上後。 感度XNUMX倍アップでオン 14 年 2015 月 XNUMX 日、aLIGO は、XNUMX つのブラック ホールの合体から発生する重力波を初めて観測しました。これは、最初の公式実行に向けて機械がまだ調整中であったため、奇跡的な発見でした (物理学の世界 2017。 30（10）33).
数年後、 17 年 2017 月 XNUMX 日、aLIGO は、合体する XNUMX つの中性子星からの重力波を初めて観測しました。 （イタリアの乙女座重力波検出器も参加）。 これらは孤立した出来事ではありませんでした。 2021年後半に完了した最後の観測実行の終わりまでに、aLIGOは合計で 90つのブラックホール（大多数）、XNUMXつの中性子星、またはブラックホールと中性子星の合体のXNUMX回の観測.
振り返る、前を見る
重力天文学の最初の XNUMX 年間を考えると、Weiss は歓喜します。 「LIGO は大きな成功を収めたと思います」と彼は言い、特に一般相対性理論とブラック ホールの天体物理学を検証する方法を賞賛しています。 LIGO の結果は、私たちがブラック ホールを十分に理解しており、その二体相互作用の詳細を予測できることを示しています。これは、一般相対性理論では、古典物理学の三体問題と同じくらい計算が困難です。 別の成果は、さまざまな質量のブラック ホール間の相互作用の LIGO のカタログであり、銀河の中心で超大質量ブラック ホールがどのように形成されるかについての手がかりを提供します。
Weiss はまた、「最大の騒動を引き起こし、信じられないほど多くの科学を生み出した」特定のイベントを 2017 つ挙げています。 XNUMX 年に観測された XNUMX つの中性子星の衝突は、ガンマ線から電波までの電磁放射も生成し、世界中の天文台によって追跡されました ( 「新しい宇宙の使者」 イムレ・バルトス）。 「マルチメッセンジャー」天文学のこの典型的な例は、イベントの正確な場所をもたらしました。 相互作用が金とプラチナを生成することを示し、星がどのように重い元素を作るかについての新しい洞察を与えました。 重力波が正確に光速で移動することを確認しました。 ハッブル定数を測定する新しい方法を提供し、おそらくその値に関する現在の不確実性を解決しました。
LIGOを支える多くの人々
重力波の最初の観測を発表した論文 (Phys。 牧師レット。 116 061102) は、Rainer Weiss、Kip Thorne、Barry Barish、および世界中の約 1000 人の科学者とエンジニアによって共著されました。 Weiss は 2017 年のストックホルムでのノーベル賞スピーチの冒頭で、この大規模なグループの努力がなければ、「私たち XNUMX 人はここにいないだろう」と述べました。 実際、ワイスは、ノーベル賞が関係者全員に何らかの形で敬意を払うことができなかったことを後悔している.
ワイスは、ノーベル賞の同僚たちにも個人的に感謝しています。 ワイスは、重力波がまったく新しいものを見せてくれるというのがソーンの「マントラ」だったと言う。 この研究の価値に対するソーンのコミットメントと、関連する理論に関する彼の研究は、LIGO にとって不可欠なものでした。 Weiss はまた、LIGO プロジェクトのディレクターだった Barish が、科学的アイデアを実用的な天文台に変えるリーダーシップを提供したと考えています。 Barish は、高エネルギー物理学における大規模実験の経験を活かして、LIGO の建設を前進させる重要な管理上および技術上の決定を下しました。
Weiss はまた、LIGO での多くの女性協力者の大きな影響を強調したいと考えています。 これらには以下が含まれます ジョージア工科大学副学長のローラ・カドナーティ氏LIGO の最初の重力波データを正式に検証した委員会の議長を務めた。 彼女のグループは現在、重要な新しい結果を求めて LIGO データをスキャンしています。 また、ジョージア工科大学では、 靴屋ディアドラ (現在はテキサス大学オースティン校) は、ブラック ホールの相互作用のコンピューター シミュレーションを実行しました。 ノースウェスタン大学のヴィッキー・カロゲラ重力波検出の価値を初期に信じていた . マサチューセッツ工科大学物理学者ネルギス・マヴァルバラ 遊んだ 大きな役割 aLIGO の量子ノイズを低減するための「スクイーズド ライト」技術を導入し、大幅にアップグレードされた新しい技術のアイデアに貢献しました。 コズミック・エクスプローラー 重力波検出器。
重力天文学の将来について尋ねられると、ワイスの熱意は高まります。 XNUMX つのコンポーネントは、 コズミック エクスプローラー干渉計、 によって提案されました マシューエヴァンス & ネルギス・マヴァルヴァラ MITで。 Weiss は、この次世代デバイスを強力にサポートします。この次世代デバイスは、長さ 40 km のアームにより、高度な LIGO の 10 倍の感度を実現します。 ヨーロッパの科学者は三角形を検討しています アインシュタイン望遠鏡 10 km の長さのアームを備え、欧州宇宙機関は三角形の打ち上げを提案しています。 レーザー干渉計宇宙アンテナ (LISA) 2030年代。 その 2.5 つの宇宙船 (XNUMX 万 km 離れて配置され、レーザーとミラーを搭載) は、超高感度検出器を形成します。
各検出器は、放射物体の質量に反比例する異なる周波数の重力波に応答します。 通常の天文学が電磁スペクトルのさまざまな部分を使用してさまざまな天体現象を研究するのと同じように、さまざまなクラスの重力イベントを検出するように調整された重力観測所を見始めています。 ブラック ホールの可能性は、仮説上の小さな原始ブラック ホールを探すことから、超大質量ブラック ホールが銀河の形成にどのように関係しているかを理解することまで、さまざまです。 中性子星の合体による重力波は、星の進化と高密度の核物質に関する知識を深めます。 それらはまた、電磁波がそれらについて明らかにするものを補完するためにパルサーから発生する可能性があります. より推測的には、一部の研究者は、マルチメッセンジャー法が、私たち自身の銀河の中心にある超大質量ブラックホールが本当にワームホールの一端であるかどうかを示す可能性があると示唆しています.
これらの今後の検出器についてワイスが最も興奮しているのは、それらが「宇宙全体の研究である宇宙論に分野を持ち込むことによって、壮大な科学を行うことができる」ということです. 彼が説明するように、ロシアの理論家は アレクセイ・スタロビンスキーǐ 真空のゆらぎが宇宙を開始した場合、宇宙が急速な宇宙インフレーションを経ると、想像を絶する加速が多くの低周波重力波を生成することが示されました。 宇宙背景放射のように、これらは残留宇宙背景を形成するが、起源はビッグバンに非常に近く、暗黒物質の生成などの初期プロセスに関する新しい情報を運ぶ. これらの波を検出することは困難ですが、研究者は、物理学、天文学、宇宙論のいくつかの大きな問題に取り組むための新しいツールを形成する、地上および宇宙ベースの検出器の組み合わせを計画しています。
しかし、彼の長いキャリアと将来の研究を振り返ると、ワイスは単に「私はそのような男ではない」と言って物事を要約したくはありません. 最終的な情報を得られなかったのは残念かもしれませんが、LIGO の構築に成功するという何十年にもわたる取り組み、重力波科学をさらに進歩させるという彼のビジョン、そして両方に対する伝染する情熱の中で、ライナー ワイスはすでに雄弁に次のように述べています。彼が言う必要があるすべて。
