Райнер Вайс: 50 лет LIGO и гравитационных волн

Практичный, непритязательный и стремящийся обсудить свои исследования физик Райнер Вайс удивительно легок в общении. Пять лет назад его работа приносила ему половину Нобелевская премия по физике 2017 г., а другая половина досталась Барри Бэришу и Кипу Торну за «решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн». США Лазерный интерферометр Гравитационно-волновая обсерватория (ЛИГО) Именно здесь в 2015 году впервые наблюдались гравитационные волны, что окончательно подтвердило последнее непроверенное предсказание столетней общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

Несмотря на предчувствие их существования, сам Эйнштейн сомневался, что эти волны когда-либо можно будет наблюдать, потому что они чрезвычайно слабы. Прорывная идея Вайса об использовании лазерной интерферометрии, наконец, сделала возможным это первое наблюдение - гравитационные волны, испускаемые слиянием двух черных дыр на расстоянии 1.3 миллиарда световых лет от Земли. - и многие другие, обнаруженные с тех пор LIGO. Вайсу, его нобелевским коллегам и многим другим потребовались десятилетия усилий, и открытие стало вершиной в физике, которая также открыла новую эру в астрономии. С момента появления наблюдательной астрономии мы сканировали Вселенную в основном, наблюдая сначала видимый свет, а затем широкий спектр электромагнитных волн. Теперь гравитационные волны смогли обеспечить новый способ исследования многих космических явлений. Всего через семь лет после рождения гравитационной астрономии она уже дала много ценных новых знаний.

Из нацистской Германии в США через Прагу

Каждый из трех нобелевских лауреатов шел к этим успехам своим собственным путем. Путь Вайса показывает, как формируются талантливые физики-экспериментаторы, как новые научные идеи могут приходить из неожиданных направлений и как требуется невероятная настойчивость, чтобы осуществить крупномасштабный физический эксперимент.

Вайс родился в Берлине, Германия, 29 сентября 1932 года, во время прихода нацистов к власти. Отец Вайса, Фредерик, которого Райнер описывает как «ярого коммуниста-идеалиста» с юных лет, был врачом. Как еврей и антинацистский коммунист, давший показания против нацистского врача, обвиненного в злоупотреблении служебным положением, Фредерик был задержан нацистами, когда мать Райнера, Гертруда, была беременна им. По настоянию жены-христианки, у семьи которой были местные связи, Фредерика освободили и отправили в Прагу. Как только Райнер родился, Гертруда поехала со своим новорожденным ребенком, чтобы присоединиться к Фредерику в Чехословакии, где в 1937 году у пары родился еще один ребенок, Сибилла.

Но когда Мюнхенское соглашение 1938 года позволило немецким войскам войти в Чехословакию, семье снова пришлось бежать. «Мы услышали это решение по радио во время отпуска в Словакии и присоединились к большой группе людей, направлявшихся в Прагу, чтобы попытаться получить визу для эмиграции почти в любую другую точку мира, где принимали бы евреев», — вспоминает Райнер в своей нобелевской биографии. . Семья переехала в США в 1939 году. По тогдашнему иммиграционному законодательству это было возможно только из-за профессии Фредерик и потому, что «очень замечательная женщина», как называет ее Вайс, из филантропической семьи Стикс из Сент-Луиса, внесла залог. чтобы гарантировать, что Вайсы не будут обузой для общества.

Вайс вырос в Нью-Йорке, где сначала учился в государственной школе. В пятом классе он получил стипендию от местной организации по оказанию помощи беженцам, чтобы присоединиться к Колумбийская гимназия — частная школа в центре Манхэттена, которая в свое время была связана с подготовкой учеников к Колумбийский университет. Музыка, естествознание и история были его любимыми предметами, а в подростковом возрасте он создавал аудиосистемы высокого качества или «hi-fi» на заказ для любителей классической музыки.

Этот интерес и его собственное любопытство в конце концов привели его к физике. Стремясь к идеальному воспроизведению звука, Вайс попытался с помощью электроники устранить фоновый шум, который издает игла фонографа, когда она движется по канавке в старомодной пластинке, которая портила музыку. Но его усилия не увенчались успехом, и он решил поступить в колледж, чтобы узнать достаточно, чтобы решить проблему. Это образование началось в Массачусетский технологический институт (MIT) в 1950 году.

От электроники к физике, обходным путем

Ожидалось, что Вайс, будучи специалистом по электротехнике в Массачусетском технологическом институте, должен был изучить генераторы и линии электропередачи, прежде чем он сможет изучать электронику, которая его действительно интересовала. Этот жесткий план пришелся ему не по вкусу, поэтому на втором курсе он переключился на физику, потому что «в ней было меньше требований» и более гибкий учебный план. Но и это сразу не получилось. В 1952 году Вайс влюбился в молодую женщину, пианистку. Отношения не закончились хорошо, и, убитый горем, Вайс провалил все свои курсы и был вынужден покинуть Массачусетский технологический институт.

Но не все было потеряно. К весне 1953 года он вернулся в Массачусетский технологический институт в качестве техника, работающего в Лаборатория атомных пучков физика Джеррольда Захариаса, который разработал первые атомные часы. «Наука, которую делали в этой лаборатории, была превосходной», — вспоминает Вайс. «Эксперименты там рассматривали свойства изолированных одиночных атомов и молекул, невозмущенных соседними системами. Каждый атом был похож на другой, и можно было задавать фундаментальные вопросы об их структуре и взаимодействиях, которые удерживают их вместе». То, что началось как роль помощи аспирантам в их дипломных проектах, в конечном итоге привело к тому, что Вайс начал работать непосредственно с Захариасом над разработкой проекта. цезиевые атомно-лучевые часы, что в конечном итоге станет принят в качестве эталона времени для Бюро стандартов (ныне Национальный институт стандартов и технологий) и ВМС США.

Под руководством Захариаса Вайс завершил свою степень бакалавра физики, затем кандидата наук в 1962 г., и узнал о высокоточных экспериментах, ключевой теме, которая привела к LIGO. Еще одна ключевая тема возникла, когда Вайс работал научным сотрудником у астронома и физика. Роберт Дике в Принстонском университете, которого Вайс называет «одним из героев моей жизни». Дике и Вайс задумались о разработке современной версии Эксперимент Этвеша, понять принцип эквивалентности общей теории относительности, доказав эквивалентность инертной и гравитационной масс. Поскольку новая теория гравитации Дикке объединила скалярное поле с тензорным полем общей теории относительности, его идея состояла в том, чтобы построить эксперимент, который мог бы измерить, как будет вибрировать вся Земля, если гравитационная волна пройдет мимо. Целью эксперимента было измерение спектра скалярного гравитационного излучения, но они обнаружили, что чувствительность их кварцевого гравиметра сильно ограничена из-за геофизических шумов. Несмотря на то, что исследование не увенчалось успехом, Вайс изучил экспериментальные методы, которые впервые применил Дике, и которые в конечном итоге оказались необходимыми для LIGO, а также для многих других физических экспериментов. Действительно, Вайс обнаружил, что эти два года в Принстоне «были очень важны для моего научного развития».

После прихода на физический факультет Массачусетского технологического института в качестве доцента в 1964 г. Вайс работал над космологическим проектом по измерению спектра космического микроволнового фона (CMB)., реликт Большого Взрыва, который до сих пор наполняет Вселенную. Он внес свой вклад в исследование, установившее, что CMB следует практически идеальной кривой абсолютно черного тела с температурой источника 2.7 К, открытие которой привело к Нобелевская премия 2006 года для ведущих ученых, Джона Мэзера и Джорджа Смута..

Измерение гравитации в классе

Вайс продолжал думать о гравитационных волнах, особенно когда его попросили прочитать курс общей теории относительности в Массачусетском технологическом институте. Это было нелегко. Математика общей теории относительности сложна, и курсы, которые преподавали этот предмет, были больше математическими, чем физическими. Обсуждая это сегодня, Вайс говорит: «Я не теоретик. Я сантехник… сантехник пылесос, сантехник электроник, но сантехник». Поэтому он и его ученики вместе изучали математику, но неожиданно его экспериментальный опыт стал очень значительным.

Как объясняет Вайс, в то время Джозеф Вебер из Мэрилендского университета пытался обнаружить гравитационные волны. измеряя изменение длины больших алюминиевых цилиндров при прохождении волны. Когда студенты спросили Вайса о таких измерениях, он высказал педагогическую мысль. ум эксперимент, чтобы показать в принципе, как они могут быть сделаны. Поместите две массы на некотором расстоянии друг от друга в свободном пространстве, одну с помощью импульсного лазера, а другую с помощью зеркала. Теперь измерьте время прохождения лазерного луча туда и обратно и, следовательно, расстояние. Если проходящая гравитационная волна изменяет расстояние, достаточно точные измерения времени покажут эффект. Поскольку все измерения производятся в пространственно-временном местоположении лазера, расчет общей теории относительности становится простым — фактически, Вайс отнес его к классовой задаче.

Заявленное Вебером обнаружение гравитационных волн в 1969 году так и не было воспроизведено, но пример, вдохновленный его работой, превратился в LIGO. Вайс улучшил первоначальную идею, добавив второй путь луча с зеркалом на одном конце, установленным под прямым углом к ​​первому пути в форме буквы «L», с светоделителем на стыке. Это интерферометр Майкельсона, который произвел сверхточные измерения скорости света в эксперименте Майкельсона-Морли 1887 года, а также спектра реликтового излучения. В общей теории относительности гравитационная волна, распространяющаяся перпендикулярно плоскости рукавов, будет удлинять одно и сжимать другое, изменяя интерференцию световых волн в двух рукавах. Это, заключил Вайс, будет гораздо более чувствительным, чем измерение времени в пути по одному пути.

Вайс вспоминает, как летом 1971 года он «сидел в маленькой комнате, вычисляя все, что может помешать этому эксперименту», включая источники шума. Его результат был замечательным: с помощью рук длиной в несколько километров можно было бы измерять изменения расстояния до 10^-18 м — едва ли одна тысячная размера протона — поскольку проходящие гравитационные волны напрягают пространство, вызывая деформацию в 10^-21.

Испытательный стенд и первые наблюдения

Некоторые коллеги Вайса скептически относились к гравитационным волнам, но он продолжал развивать свою идею. Он получил экспериментальную проверку, когда небольшие испытательные интерферометры, построенные в его лаборатории и немецкой группой, подтвердили его расчеты. Более широкая поддержка пришла после 1975 года, когда Вайс снова встретился со знакомым по Принстону, Физик-теоретик Калифорнийского технологического института Кип Торн. Увидев потенциал исследований гравитационных волн, Торн поддержал идею Вайса в Калифорнийском технологическом институте. В 1979 г. Национальный научный фонд финансировал Калифорнийский технологический институт и Массачусетский технологический институт для проведения технико-экономического обоснования интерферометрического обнаружения. К 1990 году он поддержал LIGO как операцию Caltech-MIT с самым большим грантом, который он когда-либо давал. Это позволило построить идентичные детекторы с плечами длиной 4 км на Хэнфорд, Вашингтон и Ливингстон, Луизиана, для изучения совпадений, чтобы подтвердить любые наблюдения. Они включали в себя многие технические концепции, разработанные физиками-экспериментаторами. Рональд Древер из Калифорнийского технологического института.

После того, как LIGO начал работу в 2002 году, он достиг прогнозируемой чувствительности, но в течение девяти лет гравитационные волны не регистрировались. Затем устройства были значительно улучшены, с лучшей изоляцией от источников шума, что привело к «расширенный LIGO» (aLIGO) более пяти лет спустя. Чувствительность увеличена в 10 раз, вкл. 14 сентября 2015 г., аЛИГО сделал первое в истории наблюдение гравитационных волн, исходящих от двух сливающихся черных дыр — чудесное открытие, поскольку машина все еще калибровалась для первого официального запуска (Мир физики 2017; 30 (10) 33).

Через несколько лет на 17 августа 2017 года aLIGO провела первое в истории наблюдение гравитационных волн от двух сливающихся нейтронных звезд. (также участвовал детектор гравитационных волн Virgo в Италии). Это не были единичные события. К концу своего последнего наблюдения, которое было завершено в конце 2021 года, aLIGO сообщила в общей сложности о 90 наблюдений слияний двух черных дыр (большинство), двух нейтронных звезд или черной дыры и нейтронной звезды. 

Оглядываясь назад, глядя вперед

Размышляя об этих первых семи годах гравитационной астрономии, Вайс ликует. «Я думаю, что LIGO имела огромный успех», — говорит он, особенно хваля то, как она подтверждает общую теорию относительности и астрофизику черных дыр. Результаты LIGO показывают, что мы понимаем черные дыры достаточно хорошо, чтобы предсказать детали их взаимодействия двух тел, которое в общей теории относительности рассчитать так же сложно, как и задачу трех тел в классической физике. Другим результатом стал каталог взаимодействий между черными дырами различной массы, составленный LIGO, который дает представление о том, как они могут формироваться в сверхмассивные черные дыры в центрах галактик.

Вайс также выделяет одно конкретное событие, которое «вызвало наибольший резонанс [и] произвело столько научных открытий, что это невероятно». Две сталкивающиеся нейтронные звезды, наблюдавшиеся в 2017 году, также генерировали электромагнитное излучение, от гамма-лучей до радиоволн, которое отслеживалось обсерваториями по всему миру (см.  Новый космический посланник» Имре Бартоша). Этот яркий пример астрономии с «мультипосланниками» дал точное местонахождение события; показали, что в результате взаимодействия образуются золото и платина, что дало новое представление о том, как звезды производят тяжелые элементы; подтвердил, что гравитационные волны распространяются точно со скоростью света; и предоставил новый способ измерения постоянной Хаббла и, возможно, положил конец нынешней неопределенности относительно ее значения.

Энтузиазм Вайса растет, когда его спрашивают о будущем гравитационной астрономии. Одним из компонентов будет Интерферометр Cosmic Explorer, предложено Мэтью Эванс и Нергис Мавалвала в Массачусетском технологическом институте. Вайс решительно поддерживает это устройство следующего поколения, чьи 40-километровые лучи сделают его в 10 раз более чувствительным, чем усовершенствованный LIGO. Европейские ученые рассматривают треугольную Телескоп Эйнштейна с 10-километровыми рукавами, а Европейское космическое агентство предлагает запустить треугольный Лазерный интерферометр Космическая антенна (ЛИЗА) в 2030-х годах. Три его космических корабля, расположенных на расстоянии 2.5 миллиона километров друг от друга и несущих лазеры и зеркала, образуют сверхчувствительный детектор.

Каждый детектор будет реагировать на разные частоты гравитационных волн, которые обратно пропорциональны массе излучающего объекта. Подобно тому, как обычная астрономия использует разные части электромагнитного спектра для изучения различных небесных явлений, мы начинаем видеть гравитационные обсерватории, настроенные на обнаружение различных классов гравитационных явлений. Для черных дыр возможности варьируются от поиска небольших гипотетических первичных черных дыр до понимания того, как сверхмассивные черные дыры связаны с формированием галактик. Гравитационные волны от слияния нейтронных звезд углубят наши знания о звездной эволюции и плотной ядерной материи. Они также могут возникать из пульсаров, чтобы дополнить то, что о них говорят электромагнитные волны. Более того, некоторые исследователи предполагают, что методы с несколькими мессенджерами могут показать, действительно ли сверхмассивная черная дыра в центре нашей собственной галактики является одним из концов червоточины.

Что больше всего восхищает Вайса в этих грядущих детекторах, так это то, что они могут «делать захватывающую науку, привнося это поле в космологию, изучение всей Вселенной». Как он объясняет, русский теоретик Алексей Старобинскийǐ показал, что если флуктуация вакуума породила космос, то по мере того, как Вселенная подверглась быстрой космической инфляции, невообразимое ускорение произвело бы множество низкочастотных гравитационных волн. Подобно космическому фоновому излучению, они образовали бы остаточный универсальный фон, но возникший во времена, очень близкие к Большому взрыву, и несущие новую информацию о ранних процессах, таких как создание темной материи. Эти волны будет трудно обнаружить, но исследователи планируют объединить наземные и космические детекторы, которые станут новым инструментом для решения некоторых важных вопросов в физике, астрономии и космологии.

Но, размышляя о своей долгой карьере и будущих исследованиях, Вайс не хочет подводить итог, говоря просто: «Я не такой парень». Возможно, вас разочарует отсутствие заключительной фразы, но в своем многолетнем стремлении к успешному созданию LIGO, в своем видении дальнейшего развития науки о гравитационных волнах и в своей заразительной страсти к тому и другому Райнер Вайс уже красноречиво сказал: все, что ему нужно сказать.