노벨상을 수상한 물리학자는 역사상 가장 큰 실험 중 하나를 개념화하고 구축한 핵심 실험가 중 한 명입니다. 라이너 바이스의 성공 경로는 놀랍습니다. 이제 90세가 된 그는 대화를 나눕니다. 시드니 페르 코 비츠 예상치 못한 과학적 영감의 출처에서 대규모 실험의 도전에 이르기까지 그의 삶과 작업에 대해
현실적이고 겸손하며 자신의 연구에 대해 열정적으로 토론하는 물리학자 Rainer Weiss는 놀라울 정도로 대화하기 쉽습니다. XNUMX년 전, 그의 일은 그에게 수입의 절반을 벌었습니다. 2017년 노벨 물리학상, 나머지 절반은 "LIGO 탐지기와 중력파 관찰에 결정적인 기여"를 한 Barry Barish와 Kip Thorne에게 돌아갑니다. 미국 기반 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 2015년 중력파가 처음 관측된 곳으로 알버트 아인슈타인의 XNUMX년 된 일반 상대성 이론에서 마지막으로 남아 있는 검증되지 않은 예측을 확실히 확인했습니다.
그들의 존재를 암시했음에도 불구하고, 아인슈타인 자신은 이 파동이 극도로 약하기 때문에 관측될 수 있을지 의심했습니다. 레이저 간섭계를 사용하는 Weiss의 획기적인 아이디어는 마침내 다음을 가능하게 했습니다. 첫 번째 관측 – 지구에서 1.3억 광년 떨어진 두 개의 블랙홀이 합쳐지면서 방출되는 중력파 – 그리고 LIGO가 그 이후로 감지한 더 많은 것. 그것은 Weiss, 그의 노벨 동료 및 많은 다른 사람들의 수십 년의 노력이 필요했으며, 이 발견은 천문학의 새로운 시대를 열었던 물리학의 정점을 나타냈습니다. 관측 천문학이 출현한 이래로 우리는 주로 처음에는 가시광선을 관찰한 다음 넓은 스펙트럼의 전자기파를 관찰하여 우주를 스캔해 왔습니다. 이제 중력파는 많은 우주 현상을 조사하는 새로운 방법을 제공할 수 있었습니다. 중력 천문학이 탄생한 지 불과 XNUMX년 만에 이미 많은 가치 있는 새로운 지식을 생산해냈습니다.
프라하를 경유하여 나치 독일에서 미국으로
세 명의 노벨상 수상자 각각은 이러한 성공을 향해 자신만의 방식을 따랐습니다. Weiss의 경로는 재능 있는 실험 물리학자가 어떻게 형성되는지, 예상치 못한 방향에서 새로운 과학적 아이디어가 나올 수 있는 방법, 대규모 물리 실험이 결실을 맺는 데 얼마나 순전한 인내가 필요한지 보여줍니다.
Weiss는 29년 1932월 1937일 나치가 집권하는 동안 독일 베를린에서 태어났습니다. Rainer가 어렸을 때부터 "열렬하고 이상주의적인 공산주의자"라고 묘사한 Weiss의 아버지 Frederick은 의사였습니다. 유대인이자 반 나치 공산주의자로서 과실 혐의로 기소 된 나치 의사에 대해 증언 한 Frederick은 Rainer의 어머니 Gertrude가 그를 임신했을 때 나치에 의해 구금되었습니다. 그의 가족이 현지 접촉이 있었던 기독교인 아내의 요청에 따라 Frederick은 석방되어 프라하로 보내졌습니다. Rainer가 태어나자 Gertrude는 새 아기와 함께 체코슬로바키아의 Frederick과 합류하기 위해 여행을 떠났고, 그곳에서 부부는 XNUMX년 또 다른 아이인 Sybille을 낳았습니다.
그러나 1938년 뮌헨 협정으로 독일군이 체코슬로바키아에 진입할 수 있게 되자 가족은 다시 한 번 탈출해야 했습니다. "우리는 슬로바키아에서 휴가를 보내는 동안 라디오에서 결정을 들었고 유태인을 받아들이는 세계 거의 모든 곳으로 이민하기 위해 비자를 얻기 위해 프라하로 향하는 많은 사람들과 합류했습니다."라고 Rainer는 노벨 전기에서 회상합니다. . 가족은 1939년에 미국으로 이주했습니다. 당시 이민법에 따르면 이것은 Frederick의 직업과 Weiss가 그녀를 부르는 세인트루이스의 자선 Stix 가족 출신의 "매우 훌륭한 여성"이 채권을 게시했기 때문에 가능했습니다. Weisses가 커뮤니티에 부담이되지 않도록 보장합니다.
Weiss는 뉴욕시에서 자랐으며 처음에는 공립학교에 다녔습니다. 초등학교 XNUMX학년 때 장학금을 받아 지역난민구호단체를 통해 가입 컬럼비아 문법 학교 – 맨해튼 중부에 있는 사립 학교. Columbia University. 음악, 과학, 역사는 그가 가장 좋아하는 과목이었고, XNUMX대 때 그는 클래식 음악 애호가를 위해 맞춤형 고충실도 또는 "하이파이" 오디오 시스템을 만들었습니다.
그 관심과 그 자신의 호기심은 결국 그를 물리학으로 이끌었습니다. 완벽한 사운드 재생을 위해 Weiss는 축음기 바늘이 구식 레코드의 홈을 따라 움직일 때 음악을 손상시키는 배경 소음을 전자적으로 제거하려고 했습니다. 그러나 그의 노력은 실패했고 그는 문제를 해결할 수 있을 만큼 충분히 배우기 위해 대학에 가기로 결정했습니다. 그 교육이 시작된 매사추세츠 공과 대학 (MIT) 1950 인치
전자에서 물리학으로, 우회를 통해
MIT에서 전기 공학을 전공한 Weiss는 자신이 진정으로 관심을 갖고 있는 전자 공학을 공부하기 전에 발전기와 송전선에 대해 배워야 했습니다. 이 엄격한 계획은 그의 취향에 맞지 않았기 때문에 1952년차에 "요구 사항이 적고" 보다 유연한 커리큘럼이 있는 물리학으로 전환했습니다. 그러나 그것도 즉시 해결되지 않았습니다. XNUMX년 바이스는 피아니스트인 젊은 여성과 사랑에 빠졌다. 관계는 좋게 끝나지 않았고, 상심한 Weiss는 모든 과정을 낙제하고 MIT를 떠나야 했습니다.
그러나 모든 것을 잃지 않았습니다. 1953년 봄에 그는 MIT에서 일하는 기술자로 돌아왔습니다. 물리학자 Jerrold Zacharias의 원자빔 연구소, 최초의 원자시계를 개발한 사람. Weiss는 "그 실험실에서 수행되는 과학은 정교했습니다."라고 회상합니다. “그 곳의 실험은 고립된 단일 원자와 이웃 시스템에 의해 교란되지 않는 분자의 특성을 조사했습니다. 각각의 원자는 다음 원자와 동일했고, 그 구조와 그것들을 하나로 묶는 상호작용에 대한 근본적인 질문을 할 수 있었습니다.” 대학원생의 논문 프로젝트를 돕는 역할로 시작한 것은 결국 Weiss가 Zacharias와 함께 세슘 원자 빔 시계, 결국에는 표준국(현재의 국립 표준 기술 연구소)과 미 해군의 시간 표준으로 채택되었습니다.
Zacharias의 멘토링 아래 Weiss는 물리학 학사 학위, 1962년 박사 학위, LIGO로 이어진 핵심 스레드인 고정밀 실험에 대해 배웠습니다. Weiss가 천문학자와 물리학자 밑에서 연구원으로 일하면서 또 다른 핵심 주제가 생겼습니다. 프린스턴 대학의 로버트 디케, Weiss는 "내 인생의 영웅 중 한 명"이라고 부릅니다. Dicke와 Weiss는 최신 버전의 개발을 검토했습니다. 외트뵈시 실험, 관성질량과 중력질량의 등가성을 증명하여 일반상대성이론의 등가원리를 이해한다. 디케의 새로운 중력 이론이 일반 상대성 이론의 텐서장과 스칼라장을 결합한 것처럼, 그의 생각은 지구 전체가 진동하는 방식을 측정할 수 있는 실험을 구축하는 것이었습니다. 실험의 목적은 스칼라 중력 복사의 스펙트럼을 측정하는 것이었지만 지구 물리학적 노이즈로 인해 석영 중력계의 감도가 심각하게 제한된다는 것을 발견했습니다. 연구가 실패했음에도 불구하고 Weiss는 Dicke가 개척한 실험 기술을 배웠고 궁극적으로 LIGO 및 기타 많은 물리 실험에 필수적인 것으로 입증되었습니다. 실제로 Weiss는 프린스턴에서의 XNUMX년이 "나의 과학적 발전에 매우 중요했다"는 것을 발견했습니다.
1964년 조교수로 MIT 물리학과에 합류한 후, Weiss는 우주 마이크로파 배경(CMB)의 스펙트럼을 측정하는 우주론적 프로젝트에 참여했습니다., 여전히 우주를 채우고 있는 빅뱅의 유물. 이라는 연구에 기여했다. CMB 소스 온도가 2.7K인 사실상 완벽한 흑체 곡선을 따르며, 그 발견으로 인해 수석 과학자인 John Mather와 George Smoot에게 2006년 노벨상 수여.
교실에서 중력 측정
Weiss는 특히 MIT에서 일반 상대성 이론 과정을 발표하라는 요청을 받았을 때 중력파에 대해 계속 생각했습니다. 이것은 쉽지 않았습니다. 일반 상대성 이론의 수학은 벅차고, 그 과목을 가르치는 과정은 물리적인 것보다 더 수학적이었습니다. 오늘 토론하면서 Weiss는 이렇게 말합니다. “저는 이론가가 아닙니다. 저는 배관공입니다… 진공 배관공, 전자 배관공이지만 배관공입니다.” 그래서 그와 그의 학생들은 함께 수학을 배웠습니다. 그러나 예기치 않게 그의 실험적 배경은 매우 중요해졌습니다.
Weiss가 설명했듯이 당시 메릴랜드 대학의 Joseph Weber는 중력파를 감지하려고 했습니다. 파도가 휩쓸 때 큰 알루미늄 실린더의 길이 변화를 측정함으로써. 학생들이 Weiss에게 그러한 측정에 대해 물었을 때 그는 교육학적 방법을 제시했습니다. 생각 그것들이 어떻게 만들어질 수 있는지를 원칙적으로 보여주는 실험. 하나는 펄스 레이저로, 다른 하나는 거울로 두 개의 질량을 여유 공간에 어느 정도 떨어져 놓습니다. 이제 레이저 빛의 왕복 이동 시간과 거리를 측정하십시오. 통과하는 중력파가 거리를 변경하면 충분히 정확한 시간 측정이 효과를 나타냅니다. 모든 측정은 레이저의 시공간 위치에서 이루어지기 때문에 일반 상대성 이론 계산은 간단해집니다. 사실 Weiss는 이를 클래스 문제로 지정했습니다.
초기 계획에서 최종 결과까지
1969년에 Weber가 주장한 중력파 감지는 결코 복제되지 않았지만 그의 작업에서 영감을 얻은 예는 LIGO로 성장했습니다. Weiss는 접합부에 빔 스플리터가 있는 "L" 모양의 첫 번째 경로에 직각으로 설정된 한쪽 끝에 거울이 있는 두 번째 빔 경로를 추가하여 원래 아이디어를 개선했습니다. 이것은 1887년 Michelson-Morley 실험에서 빛의 속도와 CMB 스펙트럼을 초정밀하게 측정한 Michelson 간섭계입니다. 일반 상대성 이론에서 팔의 평면에 수직으로 진행하는 중력파는 한쪽을 늘리고 다른 쪽을 수축시켜 두 팔의 광파가 간섭하는 방식을 변경합니다. Weiss는 이것이 단일 경로를 따라 이동 시간을 측정하는 것보다 훨씬 더 민감할 것이라고 결론지었습니다.
Weiss는 1971년 여름에 소음원을 포함하여 "그 실험을 방해할 모든 것을 계산하는 작은 방에 앉아" 있었던 일을 회상합니다. 그의 결과는 놀라웠습니다. 수 킬로미터 길이의 팔로 10만큼 작은 거리 변화를 측정하는 것이 가능할 것입니다.- 18 m – 양성자 크기의 겨우 10/XNUMX – 통과하는 중력파가 공간에 응력을 가하여 XNUMX- 21.
테스트 베드 및 첫 번째 관찰
Weiss의 동료 중 일부는 중력파에 대해 회의적이었지만 그는 계속해서 아이디어를 발전시켰습니다. 그의 연구실과 독일 그룹이 만든 작은 테스트 간섭계가 그의 계산을 수행했을 때 실험적 검증을 받았습니다. 1975년 이후 Weiss가 프린스턴 시절 지인과 다시 연결되면서 더 많은 지원이 이루어졌습니다. 칼텍 이론물리학자 킵 손. 중력파 연구의 가능성을 본 Thorne은 Caltech에서 Weiss의 아이디어를 지지했습니다. 1979년에 국립 과학 재단 (National Science Foundation) Caltech와 MIT가 간섭계 탐지의 타당성 연구를 수행하도록 자금을 지원했습니다. 1990년까지 LIGO를 Caltech-MIT 운영으로 지원했으며 지금까지 제공한 것 중 가장 큰 보조금을 받았습니다. 이것은 4km 길이의 팔을 가진 동일한 탐지기의 구성을 허용했습니다. 워싱턴주 핸포드와 루이지애나주 리빙스턴, 목격을 확인하기 위한 우연의 일치 연구. 이들은 실험물리학자가 개발한 많은 기술적 개념을 통합했습니다. Caltech의 Ronald Drever.
LIGO 타임라인
- 1970~1980년대 Rainer Weiss의 킬로미터 규모 레이저 간섭계에 대한 타당성 조사에 따라 National Science Foundation은 추가 연구를 위해 Caltech 및 MIT에 자금을 지원한 다음 LIGO 그들의 공동 프로젝트로.
- 1990-1999 워싱턴주 핸포드와 루이지애나주 리빙스턴에 LIGO 건설이 승인, 자금 조달 및 완료되었습니다. LIGO는 1999년에 출범했습니다.
- 2002-2010 LIGO가 운영을 시작합니다. 연구는 초기 설계 감도에서 시작되지만 중력파는 관찰되지 않습니다. 협력은 처녀자리 간섭계 이탈리아에서.
- 2011-2017 LIGO는 감도가 10배 향상된 고급 LIGO로 업데이트되었습니다. 관찰 실행 O1 및 O2는 각각 2015–2016 및 2016–2017에 이어집니다.
- 14 9월 2015 LIGO는 먼저 두 개의 병합 블랙홀에서 중력파를 감지합니다.
- 17 8월 2017 LIGO/Virgo는 먼저 두 개의 병합 중성자 별에서 중력파를 감지합니다. 이 사건은 전자파 천문학으로도 추적됩니다.
- 10월 3 2017 Rainer Weiss, Barry Barish 및 Kip Thorne이 2017년 노벨 물리학상을 수상했습니다..
- 2019-2020 실행 O3를 관찰합니다.
- 7 11월 2021 O3의 결과는 O1 및 O2의 결과와 함께 90년 이후 총 2015개의 이벤트입니다. 이들은 블랙홀 또는 중성자별 또는 블랙홀과 중성자별의 이진 병합입니다.
- 2023월 XNUMX 시작 예정일 실행 O4 관찰.
2002년 LIGO가 가동을 시작한 후 예상 감도를 달성했지만 XNUMX년 동안 중력파가 감지되지 않았다. 그런 다음 장치가 크게 개선되어 노이즈 소스로부터 더 잘 격리되어 결과적으로 "고급 LIGO"(aLIGO) 10년여 후. XNUMX배 향상된 감도로 14년 2015월 XNUMX일, 알리고 두 개의 합쳐지는 블랙홀에서 나오는 중력파를 처음으로 관측했습니다. 기계가 최초의 공식 실행을 위해 아직 보정 중이었기 때문에 기적적인 발견이었습니다.물리 세계 2017; 30 (10) 33).
몇 년 후, 17년 2017월 XNUMX일, aLIGO는 두 개의 병합 중성자 별에서 중력파를 최초로 관측했습니다. (이탈리아의 Virgo 중력파 탐지기도 참여). 이것은 고립된 사건이 아니었습니다. 2021년 말에 완료된 마지막 관찰 실행이 끝날 때까지 aLIGO는 총 90개의 블랙홀(대부분), XNUMX개의 중성자별 또는 블랙홀과 중성자별의 병합에 대한 XNUMX개의 관측.
뒤돌아봐, 앞을 내다봐
중력 천문학의 처음 XNUMX년을 생각할 때 Weiss는 기뻐합니다. "저는 LIGO가 엄청난 성공을 거두었다고 생각합니다."라고 그는 특히 그것이 일반 상대성 이론과 블랙홀 천체물리학을 검증하는 방법을 칭찬했습니다. LIGO의 결과는 일반 상대성 이론 내에서 고전 물리학의 XNUMX체 문제만큼 계산하기 어려운 XNUMX체 상호 작용의 세부 사항을 예측할 수 있을 만큼 블랙홀을 잘 이해하고 있음을 보여줍니다. 또 다른 결과는 다양한 질량의 블랙홀 간의 상호 작용에 대한 LIGO의 카탈로그로, 은하 중심에서 초대질량 블랙홀로 어떻게 형성될 수 있는지에 대한 단서를 제공합니다.
Weiss는 또한 "가장 큰 동요를 일으켰고 믿을 수 없을 정도로 많은 과학을 생산한" 특정 사건을 꼽았습니다. 2017년에 관측된 두 개의 충돌하는 중성자별은 감마선에서 전파에 이르는 전자기 복사도 생성했으며, 이는 전 세계 천문대에서 추적되었습니다. "새로운 우주 메신저” 임레 바르토스). 이 "멀티 메신저" 천문학의 대표적인 예는 이벤트의 정확한 위치를 제공했습니다. 상호 작용이 금과 백금을 생성하여 별이 무거운 원소를 만드는 방법에 대한 새로운 통찰력을 제공한다는 것을 보여주었습니다. 중력파가 정확히 빛의 속도로 이동함을 확인했습니다. 그리고 허블 상수를 측정하는 새로운 방법을 제공했으며 아마도 그 값에 대한 현재의 불확실성을 잠재울 것입니다.
LIGO 뒤에 있는 많은 사람들
중력파의 최초 관측을 발표한 논문(물리. Lett. 116 061102)는 Rainer Weiss, Kip Thorne, Barry Barish 및 전 세계 약 1000명의 다른 과학자 및 엔지니어가 공동 저술했습니다. Weiss는 2017년 스톡홀름에서 이 엄청난 그룹 노력이 없었다면 "우리 셋은 여기 전혀 없었을 것"이라고 말하면서 노벨상 연설을 시작했습니다. 사실, Weiss는 노벨상이 관련된 모든 사람들에게 어떻게든 영예를 안겨줄 수 없다는 점을 유감스럽게 생각합니다.
Weiss는 그의 노벨 동료들에게도 개인적으로 감사하고 있습니다. 중력파가 우리에게 완전히 새로운 것을 보여줄 것이라는 것은 Thorne의 "만트라"라고 Weiss는 말합니다. 이 연구의 가치에 대한 Thorne의 헌신과 관련 이론에 대한 그의 작업은 LIGO에 필수적이었습니다. Weiss는 또한 LIGO 프로젝트 디렉터였던 Barish가 과학적 아이디어를 작동하는 관측소로 바꾸는 리더십을 제공했다고 생각합니다. 고에너지 물리학의 대규모 실험 경험을 바탕으로 Barish는 LIGO의 건설을 발전시키는 중요한 관리 및 기술 결정을 내렸습니다.
Weiss는 또한 LIGO의 많은 여성 협력자들의 엄청난 영향력을 강조하고 싶어합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다. 조지아 공대 부학장 Laura Cadonati, LIGO의 첫 번째 중력파 데이터를 공식적으로 검증한 위원회의 의장을 맡았습니다. 그녀의 그룹은 이제 중요한 새 결과를 얻기 위해 LIGO 데이터를 스캔합니다. 또한 조지아텍에서는 디어드리 슈메이커 (현재 오스틴에 있는 텍사스 대학교)는 블랙홀 상호 작용의 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했지만 노스웨스턴 대학교의 Vicky Kalogera중력파 탐지의 가치에 대한 초기 신봉자인 은 블랙홀과 중성자별 병합의 확산을 이러한 파동의 소스로 계산했습니다. MIT 물리학자 Nergis Mavalvala 연주 큰 역할 aLIGO에서 양자 노이즈를 줄이기 위해 "squeezed light" 기술을 도입하고 크게 업그레이드된 새로운 아이디어에 기여했습니다. 우주 탐험가 중력파 검출기.
Weiss의 열정은 중력 천문학의 미래에 대해 물었을 때 더욱 커졌습니다. 하나의 구성 요소는 우주 탐험가 간섭계, 의 생각 매튜 에반스 과 네르 기스 마발 발라 MIT에서. Weiss는 40km 길이의 팔이 고급 LIGO보다 10배 더 민감하게 만드는 이 차세대 장치를 강력하게 지원합니다. 유럽 과학자들은 삼각형을 고려하고 있습니다. 아인슈타인 망원경 10km 길이의 팔로 유럽 우주국은 삼각형 발사를 제안합니다. 레이저 간섭계 우주 안테나 (리사) 2030년대. 2.5만km 떨어져 있고 레이저와 거울을 탑재한 XNUMX대의 우주선은 매우 민감한 감지기를 형성합니다.
각 감지기는 복사 물체의 질량에 반비례하는 서로 다른 중력파 주파수에 반응합니다. 일반 천문학이 전자기 스펙트럼의 다른 부분을 사용하여 다양한 천체 현상을 연구하는 것과 마찬가지로 중력 관측소가 다양한 종류의 중력 사건을 감지하도록 조정되는 것을 보기 시작했습니다. 블랙홀의 경우 가능성은 작은 가상의 원시 블랙홀을 찾는 것부터 초대질량 블랙홀이 은하 형성과 어떤 관련이 있는지 이해하는 것까지 다양합니다. 중성자별 병합의 중력파는 별의 진화와 밀도가 높은 핵 물질에 대한 지식을 심화시킬 것입니다. 그들은 또한 전자기파가 그들에 대해 드러내는 것을 보완하기 위해 펄서에서 발생할 수 있습니다. 좀 더 추론적으로 일부 연구자들은 다중 메신저 방법이 우리 은하의 중심에 있는 초대형 블랙홀이 실제로 웜홀의 한쪽 끝인지 여부를 보여줄 수 있다고 제안합니다.
이 곧 출시될 탐지기에 대해 Weiss를 가장 흥분시키는 것은 그들이 "전체 우주에 대한 연구인 우주론으로 필드를 가져옴으로써 놀라운 과학을 수행"할 수 있다는 것입니다. 그가 설명했듯이 러시아 이론가 알렉세이 스타로빈스키ǐ 진공 변동이 우주를 시작했다면 우주가 급속한 팽창을 겪으면서 상상할 수 없는 가속이 많은 저주파 중력파를 생성할 것임을 보여주었습니다. 우주 배경 복사와 마찬가지로 이들은 잔여 우주 배경을 형성하지만 빅뱅에 매우 가까운 시간에서 발생하고 암흑 물질 생성과 같은 초기 프로세스에 대한 새로운 정보를 전달합니다. 이 파동은 탐지하기 어려울 것이지만 연구자들은 물리학, 천문학 및 우주론의 몇 가지 중요한 문제를 해결하기 위한 새로운 도구를 형성할 지상 및 우주 기반 탐지기의 조합을 계획하고 있습니다.
그러나 Weiss는 자신의 오랜 경력과 향후 연구를 되돌아보면서 단순히 "나는 그런 사람이 아닙니다"라고 요약하고 싶지 않습니다. 마지막 소리를 듣지 못하는 것이 실망스러울 수도 있지만, LIGO를 성공적으로 구축하기 위한 수십 년 동안의 노력과 중력파 과학의 발전에 대한 비전, 그리고 두 가지 모두에 대한 전염성 있는 열정에서 Rainer Weiss는 이미 설득력 있게 말했습니다. 그가 말해야 할 모든 것.
