Rainer Weiss: 50 let LIGO in gravitacijskih valov

S fizikom Rainerjem Weissom, ki je prizemljen, nezahteven in z veseljem razpravlja o svojih raziskavah, je neverjetno lahko govoriti. Pred petimi leti je s svojim delom zaslužil polovico Nobelova nagrada za fiziko 2017, druga polovica pa Barry Barish in Kip Thorne, za "odločilne prispevke k detektorju LIGO in opazovanju gravitacijskih valov". S sedežem v ZDA Observatorij gravitacijskih valov z laserskim interferometrom (LIGO) kjer so leta 2015 prvič opazili gravitacijske valove, ki so dokončno potrdili zadnjo preostalo nepreverjeno napoved iz stoletne splošne teorije relativnosti Alberta Einsteina.

Kljub napovedovanju njihovega obstoja je sam Einstein dvomil, da bo te valove sploh mogoče opazovati, ker so izjemno šibki. Weissova revolucionarna ideja o uporabi laserske interferometrije je to končno omogočila prvo opazovanje – gravitacijskih valov, ki jih oddaja združitev dveh črnih lukenj, 1.3 milijarde svetlobnih let stran od Zemlje – in še veliko več, ki jih je LIGO od takrat odkril. Od Weissa, njegovih nobelovih kolegov in mnogih drugih so bila potrebna desetletja truda, odkritje pa je predstavljalo vrhunec v fiziki, s katerim se je začela tudi nova doba v astronomiji. Od pojava opazovalne astronomije smo vesolje skenirali predvsem z opazovanjem najprej vidne svetlobe, nato širokega spektra elektromagnetnih valov. Zdaj so gravitacijski valovi lahko zagotovili nov način sondiranja številnih kozmičnih pojavov. Le sedem let po rojstvu gravitacijske astronomije je ta že ustvarila veliko dragocenega novega znanja.

Iz nacistične Nemčije v ZDA, preko Prage

Vsak od treh Nobelovih nagrajencev je sledil svojemu loku do teh uspehov. Weissova pot kaže, kako se oblikujejo nadarjeni eksperimentalni fiziki, kako lahko nove znanstvene ideje pridejo iz nepričakovanih smeri in kako je potrebna čista vztrajnost, da se obsežen fizikalni eksperiment uresniči.

Weiss se je rodil v Berlinu v Nemčiji 29. septembra 1932, med vzponom nacistov na oblast. Weissov oče Frederick, ki ga Rainer opisuje kot »gorečega in idealističnega komunista« že od mladosti, je bil zdravnik. Kot Juda in protinacističnega komunista, ki je pričal proti nacističnemu zdravniku, obtoženemu zlorabe, so nacisti pridržali Fredericka, ko je bila Rainerjeva mati Gertrude noseča z njim. Na ukaz njegove krščanske žene, katere družina je imela nekaj lokalnih stikov, so Friderika izpustili in poslali v Prago. Ko se je Rainer rodil, je Gertrude s svojim novorojenčkom odpotovala k Fredericku na Češkoslovaško, kjer se je paru leta 1937 rodil še en otrok, Sybille.

Toda ko je Münchenski sporazum leta 1938 nemškim enotam dovolil vstop na Češkoslovaško, je morala družina znova pobegniti. »Odločitev smo slišali na radiu med počitnicami na Slovaškem in se pridružili veliki skupini ljudi, ki so se odpravljali proti Pragi, da bi poskušali dobiti vizum za izselitev skoraj kamor koli drugje na svetu, ki bi sprejemal Jude,« se spominja Rainer v svoji Nobelovi biografiji . Družina se je leta 1939 preselila v ZDA. Po tedanji zakonodaji o priseljevanju je bilo to mogoče le zaradi Frederickovega poklica in ker je »zelo čudovita ženska«, kot jo imenuje Weiss, iz človekoljubne družine Stix iz St Louisa, položila obveznico. zagotoviti, da Weisses ne bodo v breme skupnosti.

Weiss je bil vzgojen v New Yorku, kjer je sprva obiskoval javno šolo. V petem razredu je prejel štipendijo prek lokalne organizacije za pomoč beguncem, da se je pridružil Gimnazija Columbia – zasebna šola sredi Manhattna, ki je bila nekoč povezana s pripravo učencev na Univerza Columbia. Glasba, naravoslovje in zgodovina so bili njegovi najljubši tečaji, kot najstnik pa je izdelal avdio sisteme visoke ločljivosti ali »hi-fi« po meri za ljubitelje klasične glasbe.

To zanimanje in njegova lastna radovednost sta ga na koncu pripeljala do fizike. V iskanju popolne reprodukcije zvoka je Weiss poskušal elektronsko odstraniti hrup v ozadju, ki ga povzroča igla fonografa, ko se premika vzdolž utora na staromodni plošči, kar je kazilo glasbo. Toda njegova prizadevanja so bila neuspešna in odločil se je, da gre na kolidž, da bi se naučil dovolj, da bi lahko rešil težavo. To izobraževanje se je začelo ob Tehnološki inštitut Massachusetts (MIT) v 1950.

Od elektronike do fizike, po ovinku

Kot študent elektrotehnike na MIT se je od Weissa pričakovalo, da se bo naučil o generatorjih in daljnovodih, preden je lahko študiral elektroniko, ki ga je resnično zanimala. Ta tog načrt ni bil po njegovem okusu, zato je v drugem letniku prešel na fiziko, ker »je imela manj zahtev« in bolj fleksibilen učni načrt. A tudi to se ni takoj izšlo. Leta 1952 se je Weiss zaljubil v mlado žensko, pianistko. Razmerje se ni dobro končalo in Weiss je zlomljenega srca padel na vseh tečajih in moral zapustiti MIT.

Vendar ni bilo vse izgubljeno. Do pomladi 1953 se je vrnil na MIT kot tehnik, ki je delal v Laboratorij za atomski žarek fizika Jerrolda Zachariasa, ki je razvil prvo atomsko uro. »Znanost, ki so jo izvajali v tem laboratoriju, je bila izjemna,« se spominja Weiss. »Tamkajšnji poskusi so preučevali lastnosti izoliranih posameznih atomov in molekul, ki jih sosednji sistemi niso motili. Vsak atom je bil enak naslednjemu in bilo je mogoče postaviti temeljna vprašanja o njihovi strukturi in interakcijah, ki so jih držale skupaj.« Kar se je začelo kot pomoč podiplomskim študentom pri njihovih diplomskih projektih, je sčasoma vodilo do tega, da je Weiss sodeloval neposredno z Zachariasom pri razvoju cezijeva atomska ura, kar bi sčasoma postalo sprejet kot standard časa za Urad za standarde (zdaj Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo) in ameriško mornarico.

Pod Zachariasovim mentorstvom je Weiss dokončal svojega diplomiral iz fizike, nato leta 1962 doktoriral, in se naučili o visokonatančnih eksperimentih, ključni niti, ki je pripeljala do LIGO. Nadaljnja ključna tema se je pojavila, ko je Weiss delal kot znanstveni sodelavec pri astronomu in fiziku Robert Dicke na univerzi Princeton, ki ga Weiss imenuje "eden od junakov v mojem življenju". Dicke in Weiss sta se lotila razvoja sodobne različice Eötvösov poskus, razumeti načelo enakovrednosti splošne teorije relativnosti z dokazovanjem enakovrednosti vztrajnostne in gravitacijske mase. Ker je Dickejeva nova teorija gravitacije združila skalarno polje s tenzorskim poljem splošne relativnostne teorije, je bila njegova ideja zgraditi eksperiment, ki bi lahko izmeril, kako bi cela Zemlja vibrirala, če bi gravitacijski val šel mimo. Cilj eksperimenta je bil izmeriti spekter skalarnega gravitacijskega sevanja, vendar so ugotovili, da je občutljivost njihovega kvarčnega gravimetra močno omejena zaradi geofizikalnega šuma. Kljub temu, da je bila študija neuspešna, se je Weiss naučil eksperimentalnih tehnik, ki jih je uvedel Dicke in se je na koncu izkazalo za bistvenega pomena za LIGO in številne druge fizikalne poskuse. Weiss je dejansko ugotovil, da sta bili ti dve leti na Princetonu "zelo pomembni za moj znanstveni razvoj".

Potem ko se je leta 1964 pridružil fizikalni fakulteti MIT kot docent, Weiss je delal na kozmološkem projektu, ki je meril spekter kozmičnega mikrovalovnega ozadja (CMB), relikvija velikega poka, ki še vedno polni vesolje. Prispeval je k raziskavi, ki ugotavlja, da je CMB sledi skoraj popolni krivulji črnega telesa z izvorno temperaturo 2.7 K – odkritje tega je vodilo do Nobelova nagrada 2006 za vodilna znanstvenika Johna Matherja in Georgea Smoota.

Merjenje gravitacije v učilnici

Weiss je še naprej razmišljal o gravitacijskih valovih, zlasti ko so ga prosili, naj predstavi tečaj splošne relativnosti na MIT. To ni bilo enostavno. Matematika splošne teorije relativnosti je zastrašujoča in predmeti, ki so poučevali ta predmet, so bili bolj matematični kot fizični. Ko danes razpravlja o tem, Weiss pravi: »Nisem teoretik. Sem vodovodar … vakuumski vodovodar, elektronski vodovodar, ampak vodovodar.« Tako so se on in njegovi učenci skupaj učili matematike – toda nepričakovano je njegovo eksperimentalno ozadje postalo zelo pomembno.

Kot pojasnjuje Weiss, takrat Joseph Weber z univerze v Marylandu je poskušal zaznati gravitacijske valove z merjenjem spremembe dolžine velikih aluminijastih jeklenk, ko jih zaplava val. Ko so študenti vprašali Weissa o takšnih meritvah, se je domislil pedagoškega misli poskus, da bi načeloma pokazal, kako bi jih lahko naredili. Dve masi postavite na nekaj razdalje v prosti prostor, eno s pulznim laserjem in drugo z zrcalom. Zdaj izmerite povratni čas potovanja laserske svetlobe – in s tem razdaljo. Če prehajajoči gravitacijski val spremeni razdaljo, bi učinek pokazale dovolj natančne meritve časa. Ker so vse meritve opravljene na prostorsko-časovni lokaciji laserja, postane izračun splošne relativnosti preprost - pravzaprav ga je Weiss dodelil kot razredni problem.

Weberovo trditveno zaznavanje gravitacijskih valov leta 1969 ni bilo nikoli ponovljeno, vendar je primer, ki ga je navdihnilo njegovo delo, prerasel v LIGO. Weiss je prvotno zamisel izboljšal tako, da je dodal drugo pot žarka z ogledalom na enem koncu, postavljeno pravokotno na prvo pot v obliki črke "L" z razdelilnikom žarka na stičišču. To je Michelsonov interferometer, ki je opravil ultra natančne meritve hitrosti svetlobe v Michelson-Morleyjevem eksperimentu leta 1887 in tudi spektra CMB. V splošni teoriji relativnosti bi gravitacijski val, ki potuje pravokotno na ravnino krakov, enega podaljšal in drugega skrčil, kar bi spremenilo način motenja svetlobnih valov v obeh krakih. To bi bilo, je zaključil Weiss, veliko bolj občutljivo kot merjenje časa potovanja po eni sami poti.

Weiss se spominja, kako je poleti 1971 »sedel v majhni sobi in izračunaval vse stvari, ki bi motile ta poskus«, vključno z viri hrupa. Njegov rezultat je bil izjemen: z rokami, dolgimi nekaj kilometrov, bi bilo mogoče izmeriti spremembe v razdalji tako majhne kot 10^-18 m – komaj ena tisočinka velikosti protona – ko mimoidoči gravitacijski valovi obremenijo prostor in povzročijo deformacijo 10^-21.

Preskusna postelja in prva opazovanja

Nekateri Weissovi kolegi so bili skeptični glede gravitacijskih valov, vendar je nadaljeval z razvojem svoje zamisli. Eksperimentalno je bil preverjen, ko so majhni testni interferometri, ki jih je zgradila nemška skupina v njegovem laboratoriju, potrdili njegove izračune. Širša podpora je prišla po letu 1975, ko se je Weiss ponovno povezal z znancem iz dni na Princetonu, Teoretični fizik Caltecha Kip Thorne. Ker je Thorne videl potencial za raziskave gravitacijskih valov, je zagovarjal Weissovo idejo na Caltechu. Leta 1979 je National Science Foundation financiral Caltech in MIT za izvedbo študije izvedljivosti interferometričnega odkrivanja. Do leta 1990 je podprl LIGO kot operacijo Caltech-MIT z največjo donacijo, ki jo je kdaj podelil. To je omogočilo konstrukcijo enakih detektorjev z rokami, dolgimi 4 km Hanford, Washington in Livingston, Louisiana, za študije naključij za potrditev morebitnih opažanj. Ti vključujejo številne tehnične koncepte, ki so jih razvili eksperimentalni fiziki Ronald Drever iz Caltecha.

Po začetku delovanja LIGO leta 2002 je dosegel predvideno občutljivost, vendar devet let ni bilo zaznati gravitacijskih valov. Naprave so bile nato bistveno izboljšane, z boljšo izolacijo od virov hrupa, kar je povzročilo »napredni LIGO« (aLIGO) več kot pet let kasneje. Z 10-krat povečano občutljivostjo, vklopljeno 14. september 2015, aLIGO opravil prvo opazovanje gravitacijskih valov, ki so prihajali iz dveh zlitih črnih lukenj – čudežno odkritje, saj so stroj še vedno umerjali za prvo uradno vožnjo (Svet fizike 2017; 30 (10) 33).

Nekaj ​​let kasneje, na 17. avgusta 2017 je aLIGO izvedel prvo opazovanje gravitacijskih valov iz dveh združitvenih nevtronskih zvezd. (sodeloval je tudi detektor gravitacijskih valov Virgo v Italiji). To niso bili osamljeni dogodki. Do konca svojega zadnjega opazovanja, ki je bilo zaključeno konec leta 2021, je aLIGO poročal o skupno 90 opazovanj zlitja dveh črnih lukenj (večina), dveh nevtronskih zvezd ali črne luknje in nevtronske zvezde. 

Pogled nazaj, pogled naprej

Ko razmišlja o teh prvih sedmih letih gravitacijske astronomije, je Weiss vesel. »Mislim, da je bil LIGO izjemen uspeh,« pravi in ​​pohvali zlasti, kako potrjuje splošno teorijo relativnosti in astrofiziko črnih lukenj. Rezultati LIGO kažejo, da črne luknje razumemo dovolj dobro, da napovemo podrobnosti njihove interakcije dveh teles, ki jo je v okviru splošne relativnosti tako težko izračunati kot problem treh teles v klasični fiziki. Drug rezultat je LIGO-jev katalog interakcij med črnimi luknjami različnih mas, ki daje namige o tem, kako bi se lahko oblikovale v supermasivne črne luknje v središčih galaksij.

Weiss prav tako izpostavlja en poseben dogodek, ki je "povzročil največje vznemirjenje [in] ustvaril toliko znanosti, da je neverjetno". Dve trčeni nevtronski zvezdi, opaženi leta 2017, sta ustvarili tudi elektromagnetno sevanje, od žarkov gama do radijskih valov, ki so ga spremljali observatoriji po vsem svetu (glej "Nov kozmični glasnik” avtorja Imreja Bartosa). Ta vrhunski primer astronomije z več sporočili je dal natančno lokacijo dogodka; pokazala, da je interakcija proizvedla zlato in platino, kar je dalo nov vpogled v to, kako zvezde tvorijo težke elemente; potrdili, da gravitacijski valovi potujejo točno s svetlobno hitrostjo; in zagotovil nov način za merjenje Hubblove konstante in morda odpravil trenutne negotovosti glede njene vrednosti.

Weissovo navdušenje raste, ko ga vprašajo o prihodnosti gravitacijske astronomije. Ena komponenta bi bila Interferometer Cosmic Explorer, predlagal Matthew Evans in Nergis Mavalvala na MIT. Weiss močno podpira to napravo naslednje generacije, katere 40 km dolge roke bi jo naredile 10-krat bolj občutljivo kot napredni LIGO. Evropski znanstveniki razmišljajo o trikotniku Einsteinov teleskop z 10 km dolgimi kraki, Evropska vesoljska agencija pa predlaga izstrelitev trikotnika Laserski interferometer vesoljska antena (LISA) leta 2030. Njena tri vesoljska plovila – med seboj oddaljena 2.5 milijona km in prenašajo laserje in zrcala – bi tvorila hiperobčutljiv detektor.

Vsak detektor se bo odzval na različne frekvence gravitacijskih valov, ki so obratno odvisne od mase sevajočega predmeta. Podobno kot običajna astronomija uporablja različne dele elektromagnetnega spektra za preučevanje različnih nebesnih pojavov, tako začenjamo videti gravitacijske observatorije, prilagojene za zaznavanje različnih razredov gravitacijskih dogodkov. Pri črnih luknjah se možnosti gibljejo od iskanja majhnih hipotetičnih prvobitnih črnih lukenj do razumevanja, kako so supermasivne črne luknje povezane z nastankom galaksij. Gravitacijski valovi z zlivanjem nevtronskih zvezd bodo poglobili naše znanje o evoluciji zvezd in gosti jedrski snovi. Lahko nastanejo tudi iz pulsarjev, da dopolnijo to, kar o njih razkrivajo elektromagnetni valovi. Bolj špekulativno, nekateri raziskovalci menijo, da bi lahko metode z več sporočili pokazale, ali je supermasivna črna luknja v središču naše lastne galaksije res en konec črvine.

Kar najbolj navdušuje Weissa glede teh prihajajočih detektorjev, je, da bi lahko "naredili spektakularno znanost, tako da bi področje pripeljali v kozmologijo, študij celotnega vesolja." Kot pojasnjuje, ruski teoretik Aleksej Starobinskiǐ je pokazala, da če bi vakuumsko nihanje sprožilo kozmos, bi potem, ko bi vesolje doživelo hitro kozmično inflacijo, nepredstavljivo pospeševanje povzročilo veliko nizkofrekvenčnih gravitacijskih valov. Tako kot sevanje kozmičnega ozadja bi tudi to tvorilo preostalo univerzalno ozadje, ki pa izvira iz časa zelo blizu velikega poka in prenaša nove informacije o zgodnjih procesih, kot je ustvarjanje temne snovi. Te valove bi bilo težko zaznati, vendar raziskovalci načrtujejo kombinacijo zemeljskih in vesoljskih detektorjev, ki bi tvorili novo orodje za napad na nekatera velika vprašanja v fiziki, astronomiji in kozmologiji.

Toda ko razmišlja o svoji dolgi karieri in prihodnjih raziskavah, Weiss ne želi povzeti stvari preprosto z besedami: "Nisem tak človek." Morda bi bilo razočaranje, če nimamo končnega zvoka, toda Rainer Weiss je v svoji desetletji dolgi predanosti uspešni izgradnji LIGO, v svoji viziji nadaljnjega napredka znanosti o gravitacijskih valovih in v svoji nalezljivi strasti do obojega že zgovorno povedal vse, kar mora povedati.