Miliard lat temu (no cóż, dawaj lub bierz) w odległej galaktyce dwie czarne dziury wykonały kosmiczny balet pas de deux. Okrążali się nawzajem, stopniowo zbliżając się pod wpływem wzajemnej grawitacji, aż zderzyli się i połączyli ze sobą. W wyniku takiego zderzenia nastąpiło kolosalne uwolnienie energii, odpowiadające trzykrotnej masie naszego Słońca. Konwergencja, kolizja i łączenie się dwóch czarnych dziur wprawiły otaczające kontinuum czasoprzestrzenne w nieład i wysłały potężne fale grawitacyjne we wszystkich kierunkach z prędkością światła.
Zanim te fale dotarły do naszej Ziemi (a było to rankiem 14 września 2015 r.), Niegdyś potężny ryk o kosmicznych proporcjach zamienił się w ledwo słyszalne skomlenie. Niemniej jednak dwie ogromne maszyny o długości kilku kilometrów (detektory Laserowego Obserwatorium Interferometrycznego fal grawitacyjnych PIOGV), zlokalizowane w stanach Luizjana i Waszyngton, zarejestrowały łatwo rozpoznawalne ślady tych fal. We wtorek trzech wieloletnich liderów projektu PIOGV - Rainer Weiss, Barry Barish i Kip Thorne - otrzymało Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za to osiągnięcie.
Odkrycie to wisi od dawna, zarówno w skali czasu ludzkiego, jak i zegara astronomicznego. Dr Weiss, dr Thorn i dr Barish wraz z współpracownikami pracują nad swoim projektem od kilkudziesięciu lat. Tysiące ludzi pracujących na pięciu kontynentach było zaangażowanych w odkrycie z 2015 roku. Ten projekt jest przykładem strategicznej wizji przyszłości naukowców i decydentów, która jest prawie tak daleko od nas, jak te zderzające się czarne dziury.
Pod koniec lat sześćdziesiątych dr Weiss prowadził starszy kurs fizyki w Massachusetts Institute of Technology. Kilka lat wcześniej fizyk Joseph Weber ogłosił, że wykrył fale grawitacyjne za pomocą instrumentu z aluminiowymi antenami cylindrycznymi. Jednak Weberowi nie udało się przekonać sceptyków. Dr Weiss dał swoim uczniom zadanie domowe, aby znaleźć inny sposób wykrywania fal. (Studenci, zanotujcie: czasami praca domowa jest zwiastunem Nagrody Nobla.) A co, jeśli spróbujesz wykryć fale grawitacyjne, uważnie badając najmniejsze zmiany w interferencji wiązek laserowych, które przemieszczają się różnymi drogami, a następnie ponownie łączą się z detektorem?
W teorii fale grawitacyjne powinny rozciągać się i kurczyć w przestrzeni, przemieszczając się przez nią. Dr Weiss przyjął założenie, że takie zakłócenie powinno zmienić długość drogi jednej z wiązek laserowych, przez co dwie wiązki stracą synchronizację do czasu dotarcia do detektora, az różnicy desynchronizacji będzie można określić wzorce interferencji.
Pomysł był odważny i rewolucyjny. Mówiąc delikatnie. Aby uchwycić fale grawitacyjne o spodziewanej amplitudzie za pomocą techniki interferencyjnej, fizycy musieli wykryć różnicę odległości, która była jedną częścią na tysiąc miliardów miliardów. To tak, jakby mierzyć odległość między Ziemią a Słońcem w skali pojedynczego atomu, jednocześnie monitorując wszystkie inne źródła wibracji i błędów, które mogą tłumić tak słaby sygnał.
Nic dziwnego, że dr Thorne, który został w tym roku jednym z laureatów Nagrody Nobla, przedstawił ten problem jako zadanie domowe w swoim podręczniku z 1973 roku. Doprowadził uczniów do wniosku, że interferometria jako metoda wykrywania fal grawitacyjnych nie jest dobra. (Okej, panowie, studenci, czasami nie musicie odrabiać lekcji). Ale po dokładniejszym zbadaniu tego problemu dr Thorn stał się jednym z najsilniejszych zwolenników metody interferometrycznej.
Przekonanie doktora Thorne'a było łatwiejsze niż zdobycie funduszy i zaangażowanie uczniów. National Science Foundation w 1972 roku odrzuciła pierwszą propozycję dr Weissa. W 1974 r. Złożył nową propozycję i otrzymał dofinansowanie na studium projektowe. W 1978 roku dr Weiss zanotował w swoim wniosku o dofinansowanie: „Stopniowo doszedłem do wniosku, że tego rodzaju badania najlepiej przeprowadzają niekwestionowani i być może głupi naukowcy, a także młodzi doktoranci o skłonnościach do przygód”.
Film promocyjny:
Zakres projektu stopniowo się rozszerzał. Ogromne ramiona interferometru musiały teraz rozciągać się na kilka kilometrów, a nie metrów, i być wyposażone w najnowocześniejszą optykę i elektronikę. Jednocześnie zwiększał się budżet i zespół badawczy. Realizacja tego złożonego projektu wymagała teraz nie tylko głębokiej wiedzy z zakresu fizyki, ale także umiejętności politycznych. W pewnym momencie próby zbudowania jednego z tych dużych detektorów w Maine nie powiodły się z powodu rywalizacji politycznej i zakulisowych transakcji aparatczyków kongresowych. To nauczyło naukowców, że interferencji jest więcej niż wiązek laserowych.
Co zaskakujące, National Science Foundation zatwierdziła finansowanie PIOGV w 1992 roku. Był to najdroższy projekt fundacji, jaki istnieje do dziś. Moment był właściwy: po upadku Związku Radzieckiego pod koniec 1991 r. Fizycy natychmiast zdali sobie sprawę, że uzasadnienie zimnowojennych badań naukowych w Kongresie straciło ważność.
Mniej więcej w tym czasie taktyka budżetowa w Stanach Zjednoczonych weszła w nową fazę. Teraz przy planowaniu projektów długofalowych trzeba było liczyć się z częstymi groźbami wstrzymania działań organów państwowych (niekiedy były one realizowane). To skomplikowało sytuację budżetową, ponieważ skupiono się teraz na projektach krótkoterminowych, które obiecały szybkie rezultaty. Gdyby dziś zaproponowano taki projekt jak PIOGV, trudno sobie wyobrazić, że uzyskałby akceptację.
Jednak PIOGV wykazuje pewne zalety długoterminowego podejścia. Ten projekt jest przykładem ścisłego związku między nauką a edukacją, który wykracza daleko poza prace domowe. Wielu studentów i doktorantów z zespołu PIOGV zostało współautorami artykułu historycznego na temat wykrytych fal. Od 1992 r. W ramach tego projektu w samych Stanach Zjednoczonych napisano prawie 600 prac doktorskich, które przygotowali naukowcy ze 100 uniwersytetów i 37 stanów. Badania naukowe wykroczyły daleko poza fizykę i obecnie obejmują takie obszary, jak projektowanie inżynieryjne i tworzenie oprogramowania.
PIOGV pokazuje, co możemy osiągnąć, patrząc poza horyzont i nie dając się zwieść rocznym budżetom i raportom. Budując bardzo wrażliwe maszyny oraz kształcąc inteligentnych i oddanych młodych naukowców i inżynierów, możemy przetestować nasze podstawowe zrozumienie przyrody z niespotykaną dotąd precyzją. Takie wysiłki często prowadzą do ulepszeń technologii używanych w życiu codziennym: system nawigacji GPS powstał w ramach prac nad testowaniem ogólnej teorii względności Einsteina. To prawda, że takie nieoczekiwane odkrycia są trudne do przewidzenia. Ale dzięki cierpliwości, wytrwałości i szczęściu możemy zajrzeć do najgłębszych głębin wszechświata.
David Kaiser jest profesorem i wykładowcą fizyki i historii nauki w Massachusetts Institute of Technology. Wraz z W. Patrickiem McCrayem redagował Groovy Science: Knowledge, Innovation i American Counterculture.