Як один із ключових експериментаторів, який концептуалізував, а потім побудував один із найбільших експериментів в історії, фізик, лауреат Нобелівської премії Райнер Вайсшлях до успіху неймовірний. Зараз йому 90 років, з якими він розмовляє Сідні Перковіц про його життя та роботу, від несподіваних джерел наукового натхнення до викликів великомасштабних експериментів
Приземлений, невибагливий і готовий обговорити свої дослідження, фізик Райнер Вайсс надзвичайно легкий у спілкуванні. П'ять років тому його робота приносила йому вдвічі менше 2017 Нобелівська премія з фізики, а друга половина дісталася Баррі Барішу та Кіпу Торну за «вирішальний внесок у детектор LIGO і спостереження гравітаційних хвиль». Базується в США Гравітаційно-хвильова обсерваторія лазерного інтерферометра (LIGO) тут у 2015 році вперше були помічені гравітаційні хвилі, остаточно підтвердивши останнє неперевірене передбачення столітньої давності загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна.
Незважаючи на передвіщення про їх існування, сам Ейнштейн сумнівався, що ці хвилі коли-небудь можна буде спостерігати, оскільки вони надзвичайно слабкі. Проривна ідея Вайса щодо використання лазерної інтерферометрії нарешті зробила це можливим перше спостереження – гравітаційні хвилі, випромінювані в результаті злиття двох чорних дір на відстані 1.3 мільярда світлових років від Землі – і багато іншого, що виявила LIGO. Для цього знадобилися десятиліття зусиль Вайса, його колег з Нобелівської премії та багатьох інших, і це відкриття стало вершиною фізики, яка також започаткувала нову еру в астрономії. З моменту появи спостережної астрономії ми сканували Всесвіт переважно спостерігаючи спочатку видиме світло, а потім широкий спектр електромагнітних хвиль. Тепер гравітаційні хвилі змогли забезпечити новий спосіб дослідження багатьох космічних явищ. Лише через сім років після народження гравітаційної астрономії вона вже дала багато цінних нових знань.
З нацистської Німеччини до США через Прагу
Кожен із трьох нобелівських лауреатів йшов власним шляхом до цих успіхів. Шлях Вайса показує, як формуються талановиті фізики-експериментатори, як нові наукові ідеї можуть виникати з несподіваних напрямків і як необхідна чиста наполегливість, щоб втілити масштабний фізичний експеримент.
Вайс народився в Берліні, Німеччина, 29 вересня 1932 року, під час приходу до влади нацистів. Батько Вайса, Фредерік, якого Райнер описує як «палкого та ідеалістичного комуніста» з молодості, був лікарем. Як єврей і антинацистський комуніст, який давав свідчення проти нацистського лікаря, звинуваченого в недбалості, Фредерік був затриманий нацистами, коли мати Райнера, Гертруда, була вагітна від нього. За розпорядженням своєї дружини-християнки, родина якої мала деякі зв’язки на місцевому рівні, Фрідріха було звільнено та відправлено до Праги. Після народження Райнера Ґертруда поїхала зі своєю новою дитиною до Фредеріка в Чехословаччину, де в 1937 році у пари народилася ще одна дитина, Сібілла.
Але коли Мюнхенська угода 1938 року дозволила німецьким військам увійти до Чехословаччини, родині знову довелося тікати. «Ми почули це рішення по радіо під час відпустки в Словаччині та приєдналися до великої групи людей, які прямували до Праги, щоб спробувати отримати візу для еміграції майже в будь-яку іншу точку світу, яка б приймала євреїв», — згадує Райнер у своїй Нобелівській біографії. . Сім’я переїхала до США в 1939 році. Відповідно до тогочасного імміграційного законодавства, це було можливо лише завдяки професії Фредеріка та тому, що «дуже чудова жінка», як називає її Вайс, із філантропічної сім’ї Стікс із Сент-Луїса, вклала заставу. гарантувати, що Вайси не будуть тягарем для громади.
Вайс виріс у Нью-Йорку, де він спочатку відвідував державну школу. У п’ятому класі він отримав стипендію від місцевої організації допомоги біженцям, щоб приєднатися Колумбійська граматична школа – приватна школа в центрі Манхеттена, яка свого часу була пов’язана з підготовкою учнів до Колумбійський університет. Музика, наука та історія були його улюбленими курсами, і будучи підлітком, він створював спеціальні аудіосистеми високої точності або «hi-fi» для любителів класичної музики.
Цей інтерес і його власна цікавість зрештою привели його до фізики. Прагнучи досконалого відтворення звуку, Вайс спробував за допомогою електроніки усунути фоновий шум, який створює стрілка фонографа, коли вона рухається вздовж канавки на старомодній платівці, що псувало музику. Але його зусилля провалилися, і він вирішив піти до коледжу, щоб навчитися достатньо, щоб вирішити проблему. Ця освіта почалася в Массачусетський технологічний інститут (MIT) В 1950.
Від електроніки до фізики, в обхід
Будучи спеціалістом з електротехніки в Массачусетському технологічному інституті, Вайс повинен був дізнатися про генератори та лінії передачі, перш ніж він зможе вивчати електроніку, яка його справді цікавила. Цей жорсткий план був йому не до смаку, тож на другому курсі він перейшов на фізику, бо «було менше вимог» і більш гнучкий навчальний план. Але й це не відразу вийшло. У 1952 році Вайс закохався в молоду жінку, піаністку. Стосунки закінчилися невдало, і, розбитий горем, Вайс провалив усі курси та був змушений залишити MIT.
Але не все було втрачено. Навесні 1953 року він повернувся до Массачусетського технологічного інституту як технік, який працював у Лабораторія атомного променя фізика Джерольда Захаріаса, який розробив перший атомний годинник. «Наука, яку робили в цій лабораторії, була надзвичайною», — згадує Вайс. «Експерименти вивчали властивості ізольованих одиночних атомів і молекул, не зачіпаних сусідніми системами. Кожен атом був таким же, як наступний, і можна було поставити фундаментальні питання про їх структуру та взаємодію, яка їх утримувала». Те, що починалося як допомога аспірантам у виконанні дипломних проектів, зрештою призвело до того, що Вайс працював безпосередньо із Захаріасом над розробкою цезієвий атомний годинник, що врешті-решт буде прийнятий як стандарт часу для Бюро стандартів (нині Національний інститут стандартів і технологій) і ВМС США.
Під наставництвом Захаріаса Вайс завершив його ступінь бакалавра фізики, потім ступінь доктора філософії в 1962 році, і дізнався про високоточні експерименти, ключову нитку, яка привела до LIGO. Ще одна ключова тема виникла, коли Вайс працював науковим співробітником під керівництвом астронома та фізика. Роберт Діке в Прінстонському університеті, якого Вайс називає «одним із героїв мого життя». Діке та Вайс розглядали можливість розробки сучасної версії Експеримент Етвёша, зрозуміти принцип еквівалентності загальної теорії відносності шляхом доведення еквівалентності інертної та гравітаційної мас. Оскільки нова теорія гравітації Дікке поєднала скалярне поле з тензорним полем загальної теорії відносності, його ідея полягала в тому, щоб побудувати експеримент, який міг би виміряти, як би вібрувала вся Земля, якби повз неї пройшла гравітаційна хвиля. Метою експерименту було виміряти спектр скалярного гравітаційного випромінювання, але вони виявили, що чутливість їхнього кварцового гравіметра була сильно обмежена через геофізичний шум. Незважаючи на те, що дослідження було невдалим, Вайс навчився експериментальним методам, які запровадив Дікке, і які зрештою виявилися важливими для LIGO та багатьох інших фізичних експериментів. Дійсно, Вайс виявив, що ті два роки в Прінстоні «були надзвичайно важливими для мого наукового розвитку».
Після вступу на фізичний факультет Массачусетського технологічного інституту в якості доцента в 1964 році, Вайс працював над космологічним проектом, який вимірював спектр космічного мікрохвильового фону (CMB), реліквія Великого вибуху, яка все ще наповнює Всесвіт. Він зробив внесок у дослідження, встановивши, що CMB слідує фактично ідеальній кривій чорного тіла з температурою джерела 2.7K – відкриття якої призвело до Нобелівська премія 2006 року для провідних вчених Джона Мезера та Джорджа Смута.
Вимірювання сили тяжіння в класі
Вайс продовжував думати про гравітаційні хвилі, особливо коли його попросили представити курс із загальної теорії відносності в MIT. Це було нелегко. Математика загальної теорії відносності лякає, і курси, які викладали цей предмет, були більше математичними, ніж фізичними. Обговорюючи це сьогодні, Вайс каже: «Я не теоретик. Я сантехнік... вакуумний сантехнік, електронний сантехнік, але сантехнік». Тож він і його учні вивчали математику разом, але несподівано його досвід експериментів став дуже важливим.
Як пояснює Вайс, у той час Джозеф Вебер з Мерілендського університету намагався виявити гравітаційні хвилі шляхом вимірювання зміни довжини великих алюмінієвих циліндрів під час протікання хвилі. Коли студенти запитали Вайса про такі вимірювання, він придумав педагогічний думки експериментувати, щоб в принципі показати, як їх можна зробити. Помістіть дві маси на деякій відстані одна від одної у вільний простір, одну з імпульсним лазером, а іншу з дзеркалом. Тепер виміряйте час проходження лазерного світла туди й назад – і, отже, відстань. Якщо гравітаційна хвиля, що проходить, змінює відстань, досить точні вимірювання часу показали б ефект. Оскільки всі вимірювання проводяться в просторово-часовому місці розташування лазера, розрахунок загальної теорії відносності стає простим – фактично Вайс призначив його як класову проблему.
Ранній план до кінцевого результату
Заявлене виявлення гравітаційних хвиль Вебером у 1969 році ніколи не було відтворено, але приклад, на який надихнула його робота, переріс у LIGO. Вайс удосконалив початкову ідею, додавши другий шлях променя з дзеркалом на одному кінці, встановленим під прямим кутом до першого шляху у формі «L» з розділювачем променя на стику. Це інтерферометр Майкельсона, який виконував надточні вимірювання швидкості світла в експерименті Майкельсона-Морлі 1887 року, а також спектр CMB. У загальній теорії відносності гравітаційна хвиля, що поширюється перпендикулярно до площини плечей, подовжує одну та стискає іншу, змінюючи спосіб інтерференції світлових хвиль у двох плечах. Це, підсумував Вайс, було б набагато більш чутливим, ніж вимірювання часу подорожі по одному шляху.
Вайс згадує, як влітку 1971 року він «сидів у маленькій кімнаті, розраховуючи все, що могло б завадити цьому експерименту», включаючи джерела шуму. Його результат був чудовим: маючи руки завдовжки кілька кілометрів, можна було б виміряти зміни відстані лише на 10-18 m – ледве одна тисячна розміру протона – оскільки гравітаційні хвилі, що проходять, напружують простір, викликаючи деформацію 10-21.
Стенд і перші спостереження
Деякі з колег Вайса скептично ставилися до гравітаційних хвиль, але він продовжував розвивати свою ідею. Він отримав експериментальну перевірку, коли невеликі тестові інтерферометри, побудовані в його лабораторії та німецькою групою, підтвердили його розрахунки. Більш широка підтримка прийшла після 1975 року, коли Вайс відновив зв’язок із знайомим із Прінстонського періоду, Фізик-теоретик Каліфорнійського технологічного інституту Кіп Торн. Побачивши потенціал для дослідження гравітаційних хвиль, Торн підтримав ідею Вайсса в Каліфорнійському технологічному інституті. У 1979 році Національний науковий фонд фінансував Каліфорнійський технологічний інститут і Массачусетський технологічний інститут для проведення техніко-економічного обґрунтування інтерферометричного виявлення. До 1990 року він підтримав LIGO як операцію Каліфорнійського технологічного інституту та Массачусетського технологічного інституту, надавши найбільший грант, який будь-коли надавав. Це дозволило побудувати ідентичні детектори з плечами довжиною 4 км Хенфорд, Вашингтон і Лівінгстон, Луїзіана, для дослідження збігів, щоб підтвердити будь-які спостереження. Вони включали багато технічних концепцій, розроблених фізиками-експериментаторами Рональд Древер з Каліфорнійського технологічного інституту.
Хронологія LIGO
- 1970-1980-ті роки Після техніко-економічного обґрунтування лазерного інтерферометра кілометрового масштабу Райнера Вайса Національний науковий фонд фінансує Каліфорнійський технологічний інститут і Массачусетський технологічний інститут для подальших досліджень, а потім засновує ЛІГО як їхній спільний проект.
- 1990-1999 Будівництво LIGO в Хенфорді, Вашингтон, і Лівінгстоні, Луїзіана, схвалено, профінансовано та завершено. LIGO урочисто відкрито в 1999 році.
- 2002-2010 LIGO починає роботу; дослідження починається при початковій проектній чутливості, але гравітаційні хвилі не спостерігаються; починається співпраця з Інтерферометр Virgo в Італії.
- 2011-2017 LIGO оновлено до розширеного LIGO з у 10 разів кращою чутливістю; спостережень O1 та O2 слідують у 2015–2016 та 2016–2017 роках відповідно.
- 14 вересня 2015 LIGO вперше виявив гравітаційні хвилі від двох чорних дір, що зливаються.
- 17 серпня 2017 LIGO/Virgo вперше виявили гравітаційні хвилі від двох нейтронних зірок, що зливаються. Подія також відстежується астрономією електромагнітних хвиль.
- 3 жовтня 2017 Райнер Вайс, Баррі Баріш і Кіп Торн отримали Нобелівську премію з фізики 2017 року.
- 2019-2020 Прогін спостереження O3.
- 7 листопада 2021 Результати з O3 разом з результатами з O1 і O2 налічують 90 подій з 2015 року. Це подвійне злиття чорних дір або нейтронних зірок або чорної діри та нейтронної зірки.
- березня 2023 Запланована дата початку для спостереження O4.
Після початку роботи LIGO в 2002 році він досяг прогнозованої чутливості, але протягом дев'яти років гравітаційні хвилі не були виявлені. Потім пристрої були значно вдосконалені, з кращою ізоляцією від джерел шуму, в результаті чого «розширений LIGO» (aLIGO) понад п'ять років потому. З чутливістю, підвищеною в 10 разів, вкл 14 вересня 2015, aLIGO зробив перше в історії спостереження гравітаційних хвиль, які походять від двох чорних дір, що зливаються, – дивовижне відкриття, оскільки машина все ще калібрувалася для першого офіційного запуску (Світ фізики 2017; 30 (10) 33).
Через кілька років, на 17 серпня 2017 року aLIGO здійснив перше в історії спостереження гравітаційних хвиль від двох нейтронних зірок, що зливаються. (також брав участь детектор гравітаційних хвиль Virgo в Італії). Це не були поодинокі події. До кінця свого останнього циклу спостережень, який завершився наприкінці 2021 року, aLIGO повідомила про загальну кількість 90 спостережень злиття двох чорних дір (більшість), двох нейтронних зірок або чорної діри та нейтронної зірки.
Озираючись назад, дивлячись вперед
Розмірковуючи про перші сім років гравітаційної астрономії, Вайс радіє. «Я вважаю, що LIGO мав надзвичайний успіх», каже він, вихваляючи, зокрема, те, як вона підтверджує загальну теорію відносності та астрофізику чорних дір. Результати LIGO показують, що ми достатньо добре розуміємо чорні діри, щоб передбачити деталі їхньої взаємодії двох тіл, яку в рамках загальної теорії відносності так само важко обчислити, як проблему трьох тіл у класичній фізиці. Іншим результатом є каталог LIGO про взаємодію між чорними дірами різної маси, який дає підказки щодо того, як вони можуть утворюватися в надмасивні чорні діри в центрах галактик.
Вайс також виділяє одну конкретну подію, яка «викликала найбільший резонанс [і] породила стільки науки, що це неймовірно». Дві зіткнення нейтронних зірок, які спостерігалися в 2017 році, також створювали електромагнітне випромінювання, від гамма-променів до радіохвиль, яке відстежувалося обсерваторіями по всьому світу (див. "Новий космічний месенджер” Імре Бартоша). Цей яскравий приклад астрономії «з кількома повідомленнями» дав точне місце події; показали, що взаємодія виробляє золото і платину, даючи нове розуміння того, як зірки утворюють важкі елементи; підтвердив, що гравітаційні хвилі поширюються точно зі швидкістю світла; і забезпечив новий спосіб вимірювання постійної Хаббла та, можливо, поклав край поточній невизначеності щодо її значення.
Багато людей, які стоять за LIGO
Стаття, в якій повідомляється про перше спостереження гравітаційних хвиль (Фіз. Преподобний Лет. 116 061102) співавторами були Райнер Вайс, Кіп Торн, Баррі Баріш та близько 1000 інших учених та інженерів з усього світу. Вайс розпочав свою Нобелівську промову в Стокгольмі в 2017 році зі слів, що «нас трьох тут взагалі не було б» без цієї величезної групової роботи. Власне, Вайс шкодує, що Нобелівська премія не могла якимось чином вшанувати кожного з учасників.
Особисто Вайс цінує і своїх нобелівських колег. Це була «мантра» Торна, каже Вайс, що гравітаційні хвилі покажуть нам абсолютно нові речі. Відданість Торна цінності цього дослідження та його робота над відповідною теорією були важливими для LIGO. Вайс також вважає, що Баріш, який був директором проекту LIGO, забезпечив лідерство, яке перетворило наукові ідеї на діючу обсерваторію. Спираючись на свій досвід великомасштабних експериментів у фізиці високих енергій, Баріш прийняв важливі управлінські та технічні рішення, які просунули будівництво LIGO.
Вайс також прагне підкреслити величезний вплив багатьох жінок-співробітниць у LIGO. До них відносяться Заступник декана Технічного університету Джорджії Лаура Кадонаті, який очолював комітет, який офіційно підтвердив дані перших гравітаційних хвиль LIGO. Зараз її група сканує дані LIGO для нових важливих результатів. Також у Georgia Tech, Дейрдра Шумейкер (зараз в Техаському університеті в Остіні) здійснив комп’ютерне моделювання взаємодії чорних дір Вікі Калогера з Північно-Західного університету, який раніше вірив у цінність виявлення гравітаційних хвиль, підрахував поширеність злиття чорних дір і нейтронних зірок як джерел цих хвиль. Фізик Массачусетського технологічного інституту Нергіс Мавалвала грав а велика роль у впровадженні техніки «стиснутого світла» для зменшення квантового шуму в aLIGO, а також внесок у ідею нового, значно оновленого Космічний дослідник детектор гравітаційних хвиль.
Ентузіазм Вайса зростає, коли його запитують про майбутнє гравітаційної астрономії. Одним із компонентів буде Інтерферометр Cosmic Explorer, запропонований Метью Еванс та Нергіс Мавалвала в MIT. Вайс рішуче підтримує цей пристрій наступного покоління, чиї руки довжиною 40 км зроблять його в 10 разів чутливішим, ніж передовий LIGO. Європейські вчені розглядають трикутну Телескоп Ейнштейна з рукавами довжиною 10 км, а Європейське космічне агентство пропонує запустити трикутник Космічна антена лазерного інтерферометра (LISA) у 2030-х роках. Його три космічні апарати, розташовані на відстані 2.5 мільйона кілометрів і оснащені лазерами та дзеркалами, утворять надчутливий детектор.
Кожен детектор буде реагувати на різні частоти гравітаційних хвиль, які обернено залежать від маси випромінюючого об'єкта. Подібно до того, як звичайна астрономія використовує різні частини електромагнітного спектру для вивчення різноманітних небесних явищ, ми починаємо бачити гравітаційні обсерваторії, налаштовані на виявлення різних класів гравітаційних явищ. Для чорних дір можливості варіюються від пошуку маленьких гіпотетичних первинних чорних дір до розуміння того, як надмасивні чорні діри пов’язані з утворенням галактик. Гравітаційні хвилі від злиття нейтронних зірок поглиблять наші знання про еволюцію зірок і щільну ядерну матерію. Вони також можуть виникати від пульсарів, щоб доповнити те, що про них розкривають електромагнітні хвилі. Більш спекулятивно, деякі дослідники припускають, що методи використання кількох месенджерів можуть показати, чи справді надмасивна чорна діра в центрі нашої галактики є одним із кінців червоточини.
Що найбільше хвилює Вайса в цих майбутніх детекторах, так це те, що вони можуть «зробити вражаючу науку, перенісши цю область у космологію, дослідження всього Всесвіту». Як пояснює російський теоретик Олексій Старобінськийǐ показав, що якби флуктуація вакууму започаткувала космос, то, коли Всесвіт зазнавав швидкої космічної інфляції, неймовірне прискорення спричинило б велику кількість низькочастотних гравітаційних хвиль. Подібно до космічного фонового випромінювання, вони утворять залишковий універсальний фон, але походять із часу, дуже близького до Великого вибуху, і несуть нову інформацію про ранні процеси, такі як створення темної матерії. Ці хвилі було б важко виявити, але дослідники планують поєднання наземних і космічних детекторів, які створять новий інструмент для вирішення деяких важливих питань у фізиці, астрономії та космології.
Але коли він розмірковує про свою довгу кар’єру та майбутні дослідження, Вайс не хоче підсумовувати речі, кажучи просто: «Я не такий хлопець». Можливо, це розчаровує відсутність останньої звукової частини, але тоді Райнер Вайс уже красномовно сказав у своїй відданості успішному створенню LIGO, яка тривала десятиліття, у своєму баченні подальшого розвитку науки про гравітаційні хвилі та у своїй заразливій пристрасті до обох. все, що йому потрібно сказати.
