Rainer Weiss: 50 năm LIGO và sóng hấp dẫn

Là người thực tế, khiêm tốn và thích thảo luận về nghiên cứu của mình, nhà vật lý Rainer Weiss là người rất dễ nói chuyện. Năm năm trước, công việc của anh đã mang lại cho anh một nửa số tiền Giải Nobel Vật lý năm 2017, nửa còn lại thuộc về Barry Barish và Kip Thorne, vì “những đóng góp mang tính quyết định cho máy dò LIGO và quan sát sóng hấp dẫn”. Có trụ sở tại Hoa Kỳ Giao thoa kế Laser Đài quan sát sóng hấp dẫn (LIGO) là nơi sóng hấp dẫn được quan sát lần đầu tiên vào năm 2015, xác nhận dứt khoát dự đoán cuối cùng chưa được kiểm chứng từ thuyết tương đối rộng hàng thế kỷ của Albert Einstein.

Mặc dù dự đoán sự tồn tại của chúng, nhưng bản thân Einstein cũng nghi ngờ liệu có thể quan sát được những sóng này vì chúng cực kỳ yếu. Ý tưởng đột phá của Weiss về việc sử dụng giao thoa kế laser cuối cùng đã có thể thực hiện được quan sát đầu tiên – về sóng hấp dẫn phát ra từ sự hợp nhất của hai lỗ đen, cách Trái đất 1.3 tỷ năm ánh sáng – và nhiều hơn nữa mà LIGO đã phát hiện được. Weiss, các đồng nghiệp đoạt giải Nobel của ông và nhiều người khác đã phải nỗ lực hàng thập kỷ, và khám phá này thể hiện một đỉnh cao của vật lý học cũng như mở ra một kỷ nguyên mới trong thiên văn học. Kể từ khi thiên văn học quan sát ra đời, chúng ta đã quét vũ trụ chủ yếu bằng cách quan sát ánh sáng khả kiến ​​đầu tiên, sau đó là phổ rộng của sóng điện từ. Hiện nay sóng hấp dẫn đã có thể cung cấp một phương pháp mới để thăm dò nhiều hiện tượng vũ trụ. Chỉ bảy năm sau khi thiên văn học hấp dẫn ra đời, nó đã mang lại nhiều kiến ​​thức mới có giá trị.

Từ Đức Quốc xã đến Mỹ, qua Praha

Mỗi người trong số ba người đoạt giải Nobel đều đi theo con đường riêng của mình để đạt được những thành công này. Con đường của Weiss cho thấy các nhà vật lý thực nghiệm tài năng được hình thành như thế nào, những ý tưởng khoa học mới có thể đến từ những hướng không ngờ tới như thế nào và cần có sự kiên trì tuyệt đối để biến một thí nghiệm vật lý quy mô lớn thành hiện thực.

Weiss sinh ra ở Berlin, Đức vào ngày 29 tháng 1932 năm 1937, trong thời kỳ Đức Quốc xã lên nắm quyền. Cha của Weiss, Frederick, người mà Rainer mô tả là “một người cộng sản nhiệt thành và có lý tưởng” từ khi còn trẻ, là một bác sĩ. Là một người Do Thái và một người cộng sản chống Đức Quốc xã, người đã làm chứng chống lại một bác sĩ Đức Quốc xã bị buộc tội sơ suất, Frederick đã bị Đức Quốc xã giam giữ khi mẹ của Rainer, Gertrude, đang mang thai anh ta. Theo lệnh của người vợ theo đạo Thiên Chúa, người mà gia đình có một số mối liên hệ ở địa phương, Frederick được thả và gửi đến Praha. Khi Rainer chào đời, Gertrude cùng đứa con mới chào đời của mình đến gặp Frederick ở Tiệp Khắc, nơi cặp đôi có một đứa con khác, Sybille, vào năm XNUMX.

Nhưng khi Hiệp định Munich năm 1938 cho phép quân Đức vào Tiệp Khắc, gia đình lại phải trốn thoát một lần nữa. Rainer nhớ lại trong tiểu sử đoạt giải Nobel của mình: “Chúng tôi nghe quyết định này trên đài phát thanh khi đi nghỉ ở Slovakia và cùng với một nhóm lớn người hướng tới Praha để cố gắng xin thị thực di cư đến hầu hết mọi nơi trên thế giới chấp nhận người Do Thái”. . Gia đình chuyển đến Mỹ vào năm 1939. Theo luật nhập cư vào thời điểm đó, điều này chỉ có thể thực hiện được nhờ nghề nghiệp của Frederick và vì một “người phụ nữ rất tuyệt vời” như Weiss gọi cô ấy, đến từ gia đình từ thiện Stix ở St Louis, đã đăng một mối quan hệ. để đảm bảo rằng Weisses sẽ không trở thành gánh nặng cho cộng đồng.

Weiss lớn lên ở thành phố New York, nơi ban đầu anh theo học trường công. Năm lớp 5, anh nhận được học bổng thông qua một tổ chức cứu trợ người tị nạn ở địa phương để tham gia. Trường Ngữ pháp Columbia – một trường tư thục ở giữa Manhattan, từng có thời gắn liền với việc chuẩn bị cho học sinh Đại học Columbia. Âm nhạc, khoa học và lịch sử là những khóa học yêu thích của anh ấy và khi còn là một thiếu niên, anh ấy đã xây dựng hệ thống âm thanh “hi-fi” hoặc độ trung thực cao tùy chỉnh cho những người yêu thích âm nhạc cổ điển.

Mối quan tâm đó và sự tò mò của chính ông cuối cùng đã đưa ông đến với vật lý. Để tìm kiếm khả năng tái tạo âm thanh hoàn hảo, Weiss đã cố gắng loại bỏ tiếng ồn xung quanh mà kim máy quay đĩa tạo ra khi nó di chuyển dọc theo rãnh trong một đĩa hát lỗi thời, làm hỏng âm nhạc. Nhưng những nỗ lực của anh ấy đã thất bại và anh ấy quyết định vào đại học để học đủ kiến ​​thức để có thể giải quyết được vấn đề. Nền giáo dục đó bắt đầu vào lúc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) 1950.

Điện tử đến vật lý, thông qua một đường vòng

Là sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện tại MIT, Weiss được kỳ vọng sẽ tìm hiểu về máy phát điện và đường dây truyền tải trước khi có thể nghiên cứu về lĩnh vực điện tử mà anh thực sự quan tâm. Kế hoạch cứng nhắc này không phù hợp với sở thích của anh, vì vậy vào năm thứ hai, anh chuyển sang học vật lý vì “nó có ít yêu cầu hơn” và chương trình giảng dạy linh hoạt hơn. Nhưng điều đó cũng không thành công ngay lập tức. Năm 1952, Weiss yêu một cô gái trẻ, một nghệ sĩ dương cầm. Mối quan hệ không kết thúc tốt đẹp, và đau lòng thay, Weiss đã trượt tất cả các khóa học của mình và phải rời MIT.

Nhưng tất cả đã không bị mất. Đến mùa xuân năm 1953, ông trở lại MIT với tư cách là kỹ thuật viên làm việc tại Phòng thí nghiệm Chùm Nguyên tử của nhà vật lý Jerrold Zacharias, người đã phát triển đồng hồ nguyên tử đầu tiên. “Khoa học được thực hiện trong phòng thí nghiệm đó thật tuyệt vời,” Weiss nhớ lại. “Các thí nghiệm ở đó đang xem xét tính chất của các nguyên tử và phân tử đơn lẻ bị cô lập không bị ảnh hưởng bởi các hệ thống lân cận. Mỗi nguyên tử đều giống nhau và có thể đặt những câu hỏi cơ bản về cấu trúc của chúng cũng như các tương tác giữ chúng lại với nhau.” Khởi đầu là vai trò giúp đỡ các sinh viên tốt nghiệp thực hiện các dự án luận án của họ, cuối cùng đã dẫn đến việc Weiss làm việc trực tiếp với Zacharias để phát triển đồng hồ chùm nguyên tử caesium, mà cuối cùng sẽ tiếp tục là được sử dụng làm tiêu chuẩn về thời gian cho Cục Tiêu chuẩn (nay là Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia) và Hải quân Hoa Kỳ.

Dưới sự hướng dẫn của Zacharias, Weiss đã hoàn thành bằng cử nhân vật lý, rồi tiến sĩ năm 1962và tìm hiểu về thí nghiệm có độ chính xác cao, một chủ đề then chốt dẫn tới LIGO. Một chủ đề quan trọng khác nảy sinh khi Weiss làm cộng tác viên nghiên cứu của nhà thiên văn học và nhà vật lý học. Robert Dicke tại Đại học Princeton, người mà Weiss gọi là “một trong những anh hùng trong cuộc đời tôi”. Dicke và Weiss đã xem xét việc phát triển một phiên bản hiện đại của Thí nghiệm Eötvös, để hiểu nguyên lý tương đương của thuyết tương đối rộng bằng cách chứng minh sự tương đương của khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn. Khi lý thuyết mới về lực hấp dẫn của Dicke kết hợp trường vô hướng với trường tensor của thuyết tương đối rộng, ý tưởng của ông là xây dựng một thí nghiệm có thể đo lường xem toàn bộ Trái đất sẽ rung động như thế nào khi có sóng hấp dẫn truyền qua. Mục đích của thí nghiệm là đo phổ bức xạ hấp dẫn vô hướng, nhưng họ nhận thấy rằng độ nhạy của trọng lực kế thạch anh của họ bị hạn chế nghiêm trọng do nhiễu địa vật lý. Mặc dù nghiên cứu không thành công, Weiss đã học được các kỹ thuật thực nghiệm mà Dicke đã đi tiên phong và cuối cùng sẽ chứng tỏ được tính cần thiết của LIGO cũng như nhiều thí nghiệm vật lý khác. Quả thực, Weiss nhận thấy hai năm ở Princeton “có tầm quan trọng sâu sắc đối với sự phát triển khoa học của tôi”.

Sau khi gia nhập khoa vật lý của MIT với vai trò trợ lý giáo sư vào năm 1964, Weiss làm việc trong một dự án vũ trụ đo quang phổ của nền vi sóng vũ trụ (CMB), tàn tích của Vụ nổ lớn vẫn còn tràn ngập vũ trụ. Ông đã đóng góp vào nghiên cứu chứng minh rằng CMB đi theo một đường cong vật đen gần như hoàn hảo với nhiệt độ nguồn là 2.7K – việc phát hiện ra nó đã dẫn tới một Giải Nobel năm 2006 dành cho các nhà khoa học hàng đầu, John Mather và George Smoot.

Đo trọng lực trong lớp học

Weiss tiếp tục suy nghĩ về sóng hấp dẫn, đặc biệt khi ông được yêu cầu trình bày một khóa học về thuyết tương đối tổng quát tại MIT. Điều này không hề dễ dàng. Toán học của thuyết tương đối rộng rất khó khăn và các khóa học dạy môn này thiên về toán học hơn là vật lý. Thảo luận về vấn đề này ngày hôm nay, Weiss nói: “Tôi không phải là nhà lý thuyết. Tôi là thợ sửa ống nước…thợ sửa ống nước chân không, thợ sửa ống nước điện tử, nhưng là thợ sửa ống nước.” Vì vậy, ông và các học trò của mình đã cùng nhau học toán – nhưng thật bất ngờ, nền tảng thực nghiệm của ông lại trở nên vô cùng quan trọng.

Như Weiss giải thích, vào thời điểm đó Joseph Weber của Đại học Maryland đang cố gắng phát hiện sóng hấp dẫn bằng cách đo sự thay đổi chiều dài của các ống trụ nhôm lớn khi có sóng quét qua. Khi các sinh viên hỏi Weiss về những phép đo như vậy, ông đã nghĩ ra một phương pháp sư phạm suy nghĩ nghiệm để chỉ ra về nguyên tắc chúng có thể được tạo ra như thế nào. Đặt hai khối lượng cách nhau một khoảng trong không gian trống, một khối có xung laser và khối kia có gương. Bây giờ hãy đo thời gian di chuyển khứ hồi của ánh sáng laser – và do đó đo khoảng cách. Nếu một sóng hấp dẫn truyền qua làm thay đổi khoảng cách thì các phép đo thời gian đủ chính xác sẽ cho thấy hiệu ứng đó. Vì mọi phép đo đều được thực hiện tại vị trí không-thời gian của laser, nên việc tính toán thuyết tương đối tổng quát trở nên đơn giản – trên thực tế, Weiss đã gán nó như một bài toán lớp.

Tuyên bố phát hiện sóng hấp dẫn của Weber vào năm 1969 chưa bao giờ được lặp lại, nhưng ví dụ mà công trình của ông lấy cảm hứng đã phát triển thành LIGO. Weiss đã cải tiến ý tưởng ban đầu bằng cách thêm đường truyền tia thứ hai có gương ở một đầu, đặt vuông góc với đường truyền thứ nhất theo hình chữ “L” với bộ tách chùm tia ở điểm nối. Đây là giao thoa kế Michelson, thực hiện các phép đo cực kỳ chính xác về tốc độ ánh sáng trong thí nghiệm Michelson-Morley năm 1887 và cả quang phổ CMB. Trong thuyết tương đối rộng, một sóng hấp dẫn truyền vuông góc với mặt phẳng của hai cánh tay sẽ kéo dài một cánh tay và co lại cánh tay kia, làm thay đổi cách giao thoa của sóng ánh sáng trong hai cánh tay. Weiss kết luận, điều này sẽ nhạy hơn nhiều so với việc đo thời gian di chuyển dọc theo một con đường.

Weiss nhớ lại vào mùa hè năm 1971, ông “ngồi trong một căn phòng nhỏ tính toán tất cả những thứ có thể gây trở ngại cho thí nghiệm đó” bao gồm cả các nguồn tiếng ồn. Kết quả của ông thật đáng chú ý: với cánh tay dài vài km, có thể đo được những thay đổi về khoảng cách nhỏ đến 10^-18 m – chỉ bằng một phần nghìn kích thước của một proton – khi một sóng hấp dẫn truyền qua làm căng không gian gây ra biến dạng 10^-21.

Giường thử nghiệm và những quan sát đầu tiên

Một số đồng nghiệp của Weiss tỏ ra hoài nghi về sóng hấp dẫn nhưng ông vẫn tiếp tục phát triển ý tưởng của mình. Nó đã nhận được sự xác minh bằng thực nghiệm khi các giao thoa kế thử nghiệm nhỏ được chế tạo trong phòng thí nghiệm của ông và bởi một nhóm người Đức thực hiện các tính toán của ông. Sự ủng hộ rộng rãi hơn xuất hiện sau năm 1975, khi Weiss kết nối lại với một người quen từ thời ở Princeton, người Nhà vật lý lý thuyết Caltech Kip Thorne. Nhận thấy tiềm năng nghiên cứu sóng hấp dẫn, Thorne đã ủng hộ ý tưởng của Weiss tại Caltech. Năm 1979 Quỹ khoa học quốc gia đã tài trợ cho Caltech và MIT để thực hiện nghiên cứu khả thi về phát hiện giao thoa kế. Đến năm 1990, nó hỗ trợ LIGO với tư cách là một hoạt động của Caltech-MIT với khoản tài trợ lớn nhất mà nó từng cấp. Điều này cho phép chế tạo các máy dò giống hệt nhau với cánh tay dài 4 km. Hanford, Washington và Livingston, Louisiana, dành cho các nghiên cứu trùng hợp ngẫu nhiên để xác nhận bất kỳ trường hợp nhìn thấy nào. Chúng kết hợp nhiều khái niệm kỹ thuật được phát triển bởi nhà vật lý thực nghiệm Ronald Drever từ Caltech.

Sau khi LIGO bắt đầu hoạt động vào năm 2002, nó đã đạt được độ nhạy như dự đoán, nhưng trong XNUMX năm, không có sóng hấp dẫn nào được phát hiện. Các thiết bị sau đó đã được cải tiến đáng kể, với khả năng cách ly tốt hơn với các nguồn nhiễu, dẫn đến “LIGO nâng cao” (aLIGO) hơn năm năm sau. Với độ nhạy được tăng cường gấp 10 lần, trên Ngày 14 tháng 2015 năm XNUMX, aLIGO đã thực hiện quan sát đầu tiên về sóng hấp dẫn đến từ hai lỗ đen đang hợp nhất – một khám phá kỳ diệu vì cỗ máy vẫn đang được hiệu chỉnh cho lần chạy chính thức đầu tiên (Thế giới vật lý 2017; 30 (10) 33).

Vài năm sau, vào ngày Ngày 17 tháng 2017 năm XNUMX, aLIGO đã thực hiện quan sát đầu tiên về sóng hấp dẫn từ hai sao neutron đang hợp nhất (máy dò sóng hấp dẫn Xử Nữ ở Ý cũng tham gia). Đây không phải là những sự kiện biệt lập. Vào cuối đợt quan sát cuối cùng được hoàn thành vào cuối năm 2021, aLIGO đã báo cáo tổng cộng 90 quan sát về sự hợp nhất của hai lỗ đen (phần lớn), hai sao neutron hoặc lỗ đen và sao neutron. 

Nhìn lại, nhìn về phía trước

Khi chiêm ngưỡng bảy năm đầu tiên của thiên văn học hấp dẫn, Weiss rất vui mừng. “Tôi nghĩ LIGO đã là một thành công to lớn,” ông nói, đặc biệt ca ngợi cách nó xác nhận thuyết tương đối rộng và vật lý thiên văn lỗ đen. Kết quả của LIGO cho thấy chúng ta hiểu các lỗ đen đủ rõ để dự đoán chi tiết về tương tác hai vật thể của chúng, điều mà trong thuyết tương đối rộng cũng khó tính toán như bài toán ba vật thể trong vật lý cổ điển. Một kết quả khác là danh mục LIGO về sự tương tác giữa các lỗ đen có khối lượng khác nhau, mang lại manh mối về cách chúng có thể hình thành các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm các thiên hà.

Weiss cũng chỉ ra một sự kiện cụ thể đã “gây ra sự chấn động lớn nhất [và] tạo ra nhiều khoa học đến mức không thể tin được”. Hai ngôi sao neutron va chạm được quan sát vào năm 2017 cũng tạo ra bức xạ điện từ, từ tia gamma đến sóng vô tuyến, được các đài quan sát trên khắp thế giới theo dõi (xem "Sứ giả vũ trụ mới” của Imre Bartos). Ví dụ điển hình về thiên văn học “đa sứ giả” này đã cung cấp một địa điểm chính xác cho sự kiện; cho thấy sự tương tác tạo ra vàng và bạch kim, mang lại cái nhìn sâu sắc mới về cách các ngôi sao tạo ra các nguyên tố nặng; xác nhận rằng sóng hấp dẫn truyền đi chính xác với tốc độ ánh sáng; và cung cấp một phương pháp mới để đo hằng số Hubble và có lẽ giúp giải quyết những điều không chắc chắn hiện tại về giá trị của nó.

Sự nhiệt tình của Weiss ngày càng tăng khi được hỏi về tương lai của thiên văn học hấp dẫn. Một thành phần sẽ là Giao thoa kế vũ trụ Explorer, được đề nghị bởi Matthew Evans và Nergis Mavalvala tại MIT. Weiss ủng hộ mạnh mẽ thiết bị thế hệ tiếp theo này, với cánh tay dài 40 km sẽ khiến nó nhạy hơn 10 lần so với LIGO tiên tiến. Các nhà khoa học châu Âu đang xem xét hình tam giác Kính thiên văn Einstein với cánh tay dài 10 km và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đề xuất phóng hình tam giác Ăng ten không gian của giao thoa kế laser (LISA) vào những năm 2030. Ba tàu vũ trụ của nó – cách nhau 2.5 triệu km và mang theo tia laser và gương – sẽ tạo thành một máy dò siêu nhạy.

Mỗi máy dò sẽ phản ứng với các tần số khác nhau của sóng hấp dẫn, tần số này phụ thuộc nghịch đảo vào khối lượng của vật thể bức xạ. Giống như thiên văn học thông thường sử dụng các phần khác nhau của phổ điện từ để nghiên cứu các hiện tượng thiên thể khác nhau, nên chúng ta bắt đầu thấy các đài quan sát hấp dẫn được điều chỉnh để phát hiện các loại sự kiện hấp dẫn khác nhau. Đối với các lỗ đen, các khả năng bao gồm từ việc tìm kiếm các lỗ đen nguyên thủy nhỏ theo giả thuyết cho đến hiểu được các lỗ đen siêu lớn có liên quan như thế nào đến sự hình thành các thiên hà. Sóng hấp dẫn từ sự hợp nhất của các sao neutron sẽ làm sâu sắc thêm kiến ​​thức của chúng ta về sự tiến hóa của sao và vật chất hạt nhân đậm đặc. Chúng cũng có thể phát sinh từ các ẩn tinh để bổ sung cho những gì sóng điện từ tiết lộ về chúng. Suy đoán hơn, một số nhà nghiên cứu cho rằng các phương pháp đa sứ giả có thể cho thấy liệu lỗ đen siêu lớn ở trung tâm thiên hà của chúng ta có thực sự là một đầu của lỗ sâu đục hay không.

Điều khiến Weiss phấn khích nhất về những máy dò sắp ra mắt này là chúng có thể “thực hiện khoa học ngoạn mục bằng cách đưa lĩnh vực này vào vũ trụ học, nghiên cứu về toàn bộ vũ trụ”. Như ông giải thích, nhà lý thuyết người Nga Alexei Starobinskiǐ đã chỉ ra rằng nếu một dao động chân không khởi nguồn cho vũ trụ, thì khi vũ trụ trải qua quá trình lạm phát vũ trụ nhanh chóng, gia tốc không thể tưởng tượng được sẽ tạo ra rất nhiều sóng hấp dẫn tần số thấp. Giống như bức xạ nền vũ trụ, những bức xạ này sẽ tạo thành một nền phổ quát còn sót lại, nhưng bắt nguồn từ một thời điểm rất gần Vụ nổ lớn và mang thông tin mới về các quá trình ban đầu như sự hình thành vật chất tối. Những sóng này sẽ khó phát hiện, nhưng các nhà nghiên cứu đang lên kế hoạch kết hợp các máy dò trên mặt đất và trong không gian để tạo thành một công cụ mới nhằm giải quyết một số câu hỏi lớn trong vật lý, thiên văn học và vũ trụ học.

Nhưng khi suy ngẫm về sự nghiệp lâu dài và nghiên cứu trong tương lai của mình, Weiss không muốn tóm tắt mọi thứ bằng câu nói đơn giản “Tôi không phải loại người như vậy”. Có thể sẽ đáng thất vọng khi không có được lời cuối cùng nhưng sau đó, với cam kết kéo dài hàng thập kỷ của mình để xây dựng thành công LIGO, với tầm nhìn về việc thúc đẩy hơn nữa khoa học sóng hấp dẫn và trong niềm đam mê lan tỏa của mình đối với cả hai, Rainer Weiss đã nói một cách hùng hồn. tất cả những gì anh ấy cần nói.