En 40-årig strävan att bevisa att Einstein har rätt

Den 14 september 2015 började Rainer Weiss '55, PhD '62, den första dagen av sin semester i Maine med att göra vad han gör varje morgon efter frukost, var han än är: han kollade experimentloggarna för Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatorium (LIGO). Ett meddelande om att veckoreparationer som planerats för nästa dag hade ställts in slog Weiss, professor emeritus i fysik, som märkligt. Ögonblick senare ledde en uppsjö av e-postmeddelanden honom till en webbplats med bilder som gjorde honom häpnadsväckande: LIGO, instrumentet han hade tänkt ut fyra decennier tidigare, hade spelat in en signal på en av sina första testkörningar efter en stor uppgradering. Han utbröt ett skrik som fick hans fru och son att springa. Sedan började misstron, säger han. Signalen var för stor och för perfekt. Det tog flera dagar innan jag verkligen började tro att det var en riktig händelse.

Efter månader av analys och omkontroll av data meddelade ett internationellt team av forskare ledda av forskare från MIT och Caltech i februari att signalen kom från två massiva svarta hål som hade kolliderat för 1,3 miljarder år sedan. Den kollisionen hade släppt ett kraftutbrott som uppskattades vara så mycket som 100 gånger så mycket som alla stjärnor i universum, vilket producerade en krusning i rymdtid som registrerats av LIGO. Det var den första direkta upptäckten av gravitationsvågorna som Einstein förutspådde för ett sekel sedan.

Var börjar historien om LIGO?
Det började här 1967. Jag blev tillfrågad av rektor för lärarprogrammet i fysik att ge en kurs i allmän relativitetsteori. När 1967 rullade runt hade den allmänna relativitetsteorien förpassats till matematiska institutioner. Det var en teori om gravitation, men det var mestadels matematik, och i de flesta människors medvetande hade den inget samband med fysik. Och det berodde mest på att experiment för att bevisa att det var så svårt att göra - alla dessa effekter som Einsteins teori hade förutspått var oändligt små.

Einstein hade tittat på siffrorna och dimensionerna som gick in i hans ekvationer för gravitationsvågor och sa, i huvudsak, det här är så litet att det aldrig kommer att ha någon inverkan på någonting, och ingen kan mäta det. Och när man tänker på tiden och tekniken 1916 så hade han nog rätt.

Det stora som har hänt under de senaste 100 åren är att människor upptäckte saker inom astronomi som skilde sig mycket från vad de visste 1916 - tätt kompakta källor [av gravitationsvågor], enormt täta, som en neutronstjärna, och svarta hål. Och det fanns teknik för att göra precisionsmätningar, eftersom du hade lasrar, masrar, elektronik, datorer och en hel massa saker som folk inte hade 1916.

Så teknologin och kunskapen om universum gjorde det möjligt, när vi kom in i det här, att överväga att försöka leta efter gravitationsvågor.

På 1960-talet hade Joseph Weber vid University of Maryland idén att tekniken kanske hade kommit till en punkt där man kunde leta efter gravitationsvågor, och han uppfann en metod för att göra det. Han föreställde sig en sorts xylofon gjord av massiva resonansstänger. Han förväntade sig att en gravitationsvåg skulle komma och dra i en av stängerna och klämma den, och när vågen gick, skulle den lämna en puls, och saken skulle ringa och du kunde höra den.

Det var den första idén att du skulle göra något aktivt för att leta efter gravitationsvågor. Och han hade gjort anspråk på en upptäckt på 1960-talet.

När jag undervisade i min kurs var eleverna väldigt intresserade av att ta reda på vad [Webers experiment] var. Och jag ska vara ärlig mot dig, jag kunde för mitt liv inte förstå vad han gjorde. Det var det som var problemet. För det motverkade fullständigt varje intuition jag nu hade utvecklat om allmän relativitet. Jag kunde inte förklara det för eleverna.

Det var mitt problem på den tiden, och det var då uppfinningen gjordes. Jag sa: Vad är det enklaste jag kan komma på för att visa de här eleverna att du kan upptäcka påverkan av en gravitationsvåg?

Det uppenbara för mig var, låt oss ta fritt flytande massor i rymden och mäta den tid det tar ljus att färdas mellan dem. Förekomsten av en gravitationsvåg skulle förändra den tiden. Med hjälp av tidsskillnaden kunde man mäta vågens amplitud. Ekvationer för denna process är enkla att skriva, och de flesta av eleverna i klassen skulle kunna göra det. Glöm för ett ögonblick att detta var ett tankeexperiment som krävde omöjligt exakta klockor. Principen var okej.

Simulering av kollisionen av svarta hål som producerade gravitationsvågorna som upptäcktes av LIGO den 1 september 2015.

Jag tänkte inte så mycket på det förrän ungefär ett år senare, när jag började inse något om Webers experiment: ingen fick svaret han fick. Han hade gjort ett stort och kraftfullt anspråk. Och jag började inse att det här kanske var fel, och kanske till och med hans uppfattning om hur det fungerar var fel.

Så jag satte mig ner i ett litet rum i byggnad 20, Plywoodpalatset på Vassargatan, och arbetade hela sommaren med idén som jag hade pratat med mina elever om. Och eftersom jag visste vad du kunde göra med lasrar, så kom jag fram till det: kunde du faktiskt upptäcka gravitationsvågor på det här sättet? Och jag kom fram till att ja, man kunde upptäcka gravitationsvågor, med en styrka som var mycket bättre än vad Weber letade efter.

Vad krävdes för att få denna idé till fysisk form?
Vi byggde en 1,5-meters prototyp i RLE [Research Laboratory of Electronics] med hjälp av [militär] finansiering och var ganska bra med. Allt på en gång var finansieringen borta, på grund av Mansfield-tillägget, som var en reaktion på Vietnamkriget. I de lokala RLE-administratörernas medvetande var forskning inom gravitation och kosmologi inte i militärens intresse och stöd gavs till fasta tillståndets fysik, vilket ansågs mer relevant. För första gången var jag tvungen att skriva förslag till andra statliga och privata myndigheter för att fortsätta vår forskning.

Ingen arbetade på allvar med gravitationsvågsinterferometri ännu, även om som jag lärde mig senare, hade andra också tänkt på det. En tysk grupp vid Max Planck-institutet i Garching hade precis byggt en Weber-bar. De hade arbetat med italienarna och upptäckt att Weber hade fel. De hade förmodligen gjort det allra bästa experimentet av någon för att visa detta. Det var mitten av 70-talet.

De ombads att granska mitt förslag till National Science Foundation, precis när de funderade på nästa sak att arbeta med. De hade tänkt, som många andra grupper i världen vid den tiden, att göra ännu bättre Weber-barer genom att kyla dem till nära absolut noll. Istället tog de ett beslut att prova interferometeridén. De ringde mig för att fråga om det fanns några elever som hade utbildats på 1,5-metersprototypen så att de kunde erbjuda dem ett jobb. (Precis vid den tidpunkt de ringde fanns det inga; lite senare gick David Shoemaker, som hade arbetat på MIT-prototypen, med i Garching-gruppen.) De byggde sedan en tre meter lång prototyp, fick den att fungera och gjorde ett vackert jobb .

Därefter byggde de en 30 meter lång. Något senare började en grupp i Glasgow, Skottland, regisserad av Ronald Drever, som också hade byggt en Weber-bar, arbeta med interferometriska detektorer.

När jag fick finansiering från NSF och kom igång igen, hade den tyska gruppen verkligen löst de flesta tekniska problem med idén och visat att alla beräkningar jag gjort var rätt på pengarna, att det fungerade precis som det var kalkylerat. De lade också till några egna idéer som gjorde det bättre.

Vid LIGO-detektorn i Livingston, Louisiana, tog det 40 dagar att extrahera luft till ett värde av över två miljoner fotbollar från två fyra kilometer långa vakuumkammare, vilket resulterade i en biljondel av lufttrycket vid havsnivån.

Ett nyckelsteg var 1975. Eftersom jag också gjorde studier i kosmisk bakgrundsstrålning med stöd av NASA, blev jag ombedd av NASA att leda en kommitté för användning av rymdforskning inom området kosmologi och relativitetsteori. Det som kom ut från den kommittén för mig var att jag träffade [Caltech-fysikern] Kip Thorne, som jag hade bett om att vara ett vittne för kommittén.

Jag hämtade Kip på flygplatsen en varm sommarnatt när Washington, D.C., var fylld av turister. Han hade ingen hotellbokning, så vi delade rum för natten. Det slutade med att vi tillbringade hela natten med att prata om vad som kan vara intressanta experiment för Caltech att göra. Kip hade utvecklat en av de bästa teorigrupperna inom gravitation vid Caltech och tänkte ta med en experimentell gravitationsgrupp dit. Vi lade upp på ett stort papper alla olika experiment man kunde bygga en ny grupp kring. Jag berättade för honom om det här vi jobbade med. Han hade aldrig hört talas om det och han blev väldigt intresserad. Det som kom av det var att Kip och jag så småningom bestämde att Caltech och MIT skulle göra detta [projekt som blev LIGO] tillsammans.

Vilka var några viktiga ögonblick som drev projektet framåt?
Under det senare 1970-talet gjorde MIT-gruppen, nu inklusive Peter Saulson och Paul Linsay, en studie med industrin för att fastställa genomförbarheten av att bygga en stor, kilometerskalig gravitationsvågsinterferometer. Studien tittade på hur man tillverkar stora vakuumsystem och övervägde hur man bestämmer kostnaderna för att skala upp prototyperna, möjliga platser där man kan bygga fem till 10 kilometer långa L-formade strukturer med minsta möjliga jordflyttning, och tillgången på optik och ljuskällor. Vi tittade på möjliga källor till gravitationsvågor och flera konkurrerande interferometerkoncept som hade tagits fram i olika laboratorier i världen. Informationen lades in i en rapport, kallad Blue Book, och presenterades för NSF 1983. Forskare från Caltech och MIT presenterade tillsammans idéerna som utvecklats i Blue Book, såväl som resultaten av prototypforskningen.

Förslaget vi presenterade var att göra ett detektorsystem tillräckligt känsligt för att faktiskt upptäcka gravitationsvågor från en astrofysisk källa (inte bara en ny prototyp). Förslaget var att bygga två detektorer. Du kunde inte göra vetenskap med en; du var tvungen att ha två separata detektorer, lika känsliga och tillräckligt långa.

MIT LIGO-gruppen 2016. Främre raden från vänster till höger: Haocun Yu, Ken Mason, Nergis Mavalvala, Maggie Tse, Rainer Weiss, Peter Fritschel, David Shoemaker, Hang Yu. Bakre raden från vänster till höger: Lisa Barsotti, Marie Woods, Mike Zucker, Matthew Evans, John Miller, Bobby Lanza, Adam Libson, Myron MacInnis, Fabrice Matichard, Reed Essick, Erik Katsavounidis, Ryan Lynch, Salvatore Vitale.

Det var en riktig kamp senare. Du ville behålla de idéerna, och folk ville senare raka ner det: Varför inte bara bygga en lång? Varför bygga det så länge? Alla dessa argument framfördes, men vi stack ut det. Vi var tvungna – annars hade vi aldrig överlevt och vi skulle inte vara här idag. Vi fick ett stöd från kommittén: riskfylld forskning med möjlighet till ett djupgående resultat, väl värt att överväga som ett nytt projekt av NSF.

I mitten av 1980-talet försökte NSF hela tiden komma på hur man skulle starta detta. Sedan, 1986, hände en intressant sak som äntligen bröt kaoset. Richard Garwin, som hade arbetat med Enrico Fermi [1938 nobelpristagare i fysik] och med Department of Energy, och gjort alla beräkningar och gjort själva utvecklingen av den första vätebomben, hade blivit chefsforskare för IBM. Han hade läst om Webers experiment och bestämt sig för att tillsammans med en annan IBM-kollega bygga en liten, mycket smartare än vad Weber hade byggt – och han såg ingenting.

NSF försökte sälja detta enorma nya program för gravitationsvågor. Garwin får nys om det, och han trodde att han hade dödat den här draken. Han skrev ett brev till NSF där han sa: Om du ska fortsätta med det här, är det bättre att du gör en riktig studie.

Så vi gjorde en studie vid American Academy of Arts and Sciences på Beacon Street i Cambridge. Det var ett möte på en vecka med en utmärkt kommitté av hårdnackade forskare som granskade forskningen vi hade gjort med prototyperna, genomförbarhetsstudierna för att göra ett stort system, planerna för att placera systemet och kostnadsberäkningarna. Rekommendationen som kommittén gjorde var otroligt bra: projektet är absolut värt att göra, dela inte upp det i en detektor åt gången, gör det i full längd, inga fler prototyper. Den rekommenderade också en förändring i ledningen av projektet för att ha en enskild direktör snarare än en styrgrupp, vilket var sättet vi hade skött projektet fram till dess.

År 1989 skrev vi ett annat förslag under ledning av Rochus Vogt [en före detta Caltech-provost], som tog oss nästan sex månader att skriva – det var ett mästerverk. Förslaget var att bygga två platser med fyra kilometer långa interferometrar. Interferometrarna skulle iscensättas. Den första detektorn baserades på forskningen, nu någorlunda mogen, från prototyperna med en känslighet som erbjöd en rimlig chans för upptäckt. Den andra detektorn baserades på nyare, avancerade koncept som ännu inte hade testats fullt ut men som erbjöd möjligheten till en god chans för upptäckt. Förslaget gick igenom National Science Board och antogs, och pengar började komma i betydande belopp.

På 1990-talet är resten av historien lättare. Nu under ledning av Barry Barish [en fysikprofessor i Caltech] byggdes och utvecklades platserna, vakuumsystem tillverkades och vi började köra de första detektorerna. År 2010 hade vi kört dem och gjort stora förbättringar av deras känslighet, men vi hade inte sett någonting. Det var ett rent ingenting; detektorerna hade körts vid design, och vi såg inga anomalier som kunde tolkas som gravitationsvågor. Baserat på det faktum att vi [hade uppnått vår önskade] designkänslighet och hade genomfört vetenskapen för att fastställa några intressanta övre gränser för möjliga källor, fick vi finansiering för att bygga Advanced LIGO.

LIGO-forskaren och MIT-professorn Nergis Mavalvala kramar Rebecca Weiss vid MIT-evenemanget som tillkännager upptäckten av gravitationsvågor. MIT:s president L. Rafael Reif hade precis lett de som samlats i Bush-rummet och applåderade Weiss och sa ... utan tvekan har detta varit ditt livsverk också.

Hur betydelsefull är denna upptäckt för dig?
När det gäller att ha uppfyllt ambitionerna hos många av oss som har arbetat med detta är det betydelsefullt. Det är signalen som vi alla har velat se, eftersom vi visste om det, vi hade aldrig haft några verkliga bevis för det, och det är gränsen för Einsteins ekvationer som aldrig observerats tidigare – dynamiken i rum-tidens geometri i det starka. [gravitations]fält och höghastighetsgräns.

För mig är det en stängning för något som har haft en mycket komplicerad historia. Fältekvationerna och hela den allmänna relativitetsteoriens historia har varit komplicerad. Här har vi plötsligt något vi kan ta tag i och säga, Einstein hade rätt. Vilken fantastisk insikt och intuition han hade.

Jag känner en enorm lättnad och viss glädje, men mest lättnad. Det finns en apa som har suttit på min axel i 40 år, och han har tjatat i mitt öra och sagt, Ehhh, hur vet du att det här verkligen kommer att fungera? Du har engagerat en hel massa människor. Anta att det aldrig fungerar eller hur? Och plötsligt hoppade han av. Det är en stor lättnad.

Dölj