Milliárd évvel ezelőtt (nos, adj vagy vegyél) egy messze-messze galaxisban két fekete lyuk kozmikus balettet adott elő de deux. Körbejárták egymást, fokozatosan közeledtek a kölcsönös gravitáció hatására, míg össze nem ütköztek és összeolvadtak. Egy ilyen ütközés következtében hatalmas energiafelszabadulás következett be, ami a napunk háromszorosának felel meg. Két fekete lyuk konvergenciája, ütközése és összeolvadása rendetlenségbe sodorta a környező tér-idő kontinuumot, és fénysebességgel minden irányba erőteljes gravitációs hullámokat küldött.
Mire ezek a hullámok elérték a Földünket (és 2015. szeptember 14-én reggel volt), az egykor hatalmas kozmikus méretű ordítás alig hallható nyafogássá változott. Ennek ellenére két hatalmas, több kilométer hosszú gép (a gravitációs hullámok lézerinterferometriai obszervatóriumának detektorai), amelyek Louisiana és Washington államokban találhatók, könnyen felismerhető nyomokat rögzítettek ezekről a hullámokról. Kedden a PIOGV három régi projektvezetője - Rainer Weiss, Barry Barish és Kip Thorne - fizika Nobel-díjat kapott ezért az eredményért.
Ez a felfedezés már régóta készül, mind az emberi időskálán, mind a csillagászati órán. Dr. Weiss, Dr. Thorn és Dr. Barish és munkatársai több évtizede dolgoztak a projektjükön. Öt kontinensen dolgozó emberek ezrei vettek részt a 2015-ös felfedezésben. Ez a projekt egy példa a tudósok és politikusok stratégiai jövőképére, amely majdnem olyan távol áll tőlünk, mint ezek az ütköző fekete lyukak.
Az 1960-as évek végén Dr. Weiss a Massachusettsi Műszaki Intézetben idősebb fizika tanfolyamot tartott. Néhány évvel korábban Joseph Weber fizikus bejelentette, hogy gravitációs hullámokat észlelt alumínium hengerantennákkal ellátott műszerrel. Webernek azonban nem sikerült meggyőznie a kétkedőket. Dr. Weiss házi feladatot adott tanítványainak, hogy megtalálják a hullámok észlelésének másik módját. (Diákok, vegye figyelembe: néha a házi feladat a Nobel-díj hírnöke.) Mi van, ha megpróbálja felismerni a gravitációs hullámokat, ha alaposan tanulmányozza a különböző utakon haladó lézersugarak interferenciájának legkisebb változását, majd újra csatlakozik a detektorhoz?
Elméletileg a gravitációs hullámoknak meg kell húzódniuk és összehúzódniuk az űrben, azon haladva. Dr. Weiss azt a feltételezést tette, hogy egy ilyen zavarnak meg kell változtatnia az egyik lézersugár úthosszát, ami miatt a két sugár elveszíti a szinkronizálást, mire elérik az érzékelőt, és a szinkronizálás különbségéből meg lehet határozni az interferencia mintáit.
Az ötlet merész és forradalmi volt. És ez enyhén szólva. A várható amplitúdójú gravitációs hullámok interferencia technikával történő rögzítéséhez a fizikusoknak észlelniük kellett a távolság különbségét, amely az ezer milliárd milliárd része volt. Ez olyan, mintha egyetlen atom skáláján mérnénk meg a Föld és a Nap közötti távolságot, miközben figyelnénk az összes többi rezgés- és hibaforrást, amely elnyomhatja az ilyen gyenge jelet.
Nem meglepő, hogy Dr. Thorne, aki idén a Nobel-díjasok közé került, 1973-as tankönyvében házi feladatként vetette fel a problémát. Arra a következtetésre vezette a hallgatókat, hogy az interferometria mint a gravitációs hullámok detektálására szolgáló módszer egyáltalán nem jó. (Oké, uraim, diákok, néha nem kell elvégeznie a házi feladatát.) De ennek a problémának a mélyebb tanulmányozásával Dr. Thorne az interferometriai módszer egyik legerősebb támogatója lett.
Thorn doktor meggyőzése könnyebb volt, mint finanszírozás megszerzése és a hallgatók vonzása a munkához. A Nemzeti Tudományos Alapítvány 1972-ben elutasította Dr. Weiss első javaslatát. 1974-ben új javaslatot tett, és kapott némi támogatást a tervtanulmányhoz. 1978-ban Dr. Weiss finanszírozási kérelmében megjegyezte: "Fokozatosan jöttem rá, hogy ezt a fajta kutatást leginkább megkérdőjelezhetetlen és esetleg hülye tudósok, valamint kalandos hajlamú fiatal diplomás hallgatók végezhetik."
Promóciós videó:
A projekt hatóköre fokozatosan bővült. Az interferométer hatalmas karjainak most több kilométert kellett kinyújtaniuk, nem pedig métereket, és a legmodernebb optikával és elektronikával kellett felszerelni. Ugyanakkor nőtt a költségvetés és a kutatócsoport. Ennek a komplex projektnek a megvalósításához nemcsak a fizika mély ismereteire, hanem politikai készségekre is szükség volt. Valamikor a nagy detektorok egyikének kiépítése Maine-ban kudarcot vallott a politikai vetélkedések és a kongresszusi apparátusok kulisszatitkai miatt. Ez arra tanította a tudósokat, hogy több az interferencia, mint a lézersugarak.
Meglepő módon a Nemzeti Tudományos Alapítvány 1992-ben jóváhagyta a PIOGV finanszírozását. Ez volt az alapítvány legdrágább projektje, mint a mai napig. Az időzítés helyes volt: a Szovjetunió 1991 végi összeomlása után a fizikusok azonnal rájöttek, hogy a hidegháború érvei a tudományos kutatás mellett a kongresszuson már nem érvényesek.
Körülbelül ekkor lépett új szakaszba az Egyesült Államokban a költségvetési taktika. Most, hosszú távú projektek tervezésekor, figyelembe kellett venni az állami szervek tevékenységének felfüggesztésével járó gyakori fenyegetéseket (néha végrehajtották őket). Ez bonyolította a költségvetési helyzetet, mivel a hangsúly rövid távú projektekre összpontosított, amelyek gyors eredményeket ígértek. Ha ma olyan projektet javasolnának, mint a PIOGV, nehéz elképzelni, hogy jóváhagyást kapna.
A PIOGV azonban bemutatja a hosszú távú megközelítés bizonyos előnyeit. Ez a projekt példázza a tudomány és az oktatás szoros kapcsolatát, amely messze túlmutat a házi feladaton. A PIOGV csapatának számos egyetemi hallgatója és végzős hallgatója a felismert hullámokról szóló történelmi cikk társszerzője lett. 1992 óta a projekt keretében csak az Egyesült Államokban csaknem 600 disszertáció íródott, amelyeket 100 egyetem és 37 állam tudósai készítettek. A tudományos kutatás messze túlmutatott a fizikán, és most olyan területeket ölel fel, mint a mérnöki és a szoftverfejlesztés.
A PIOGV megmutatja, mit érhetünk el, ha a horizonton túlra tekintünk, és nem ragaszkodunk az éves költségvetésekhez és jelentésekhez. Rendkívül érzékeny gépek felépítésével, valamint okos és elkötelezett fiatal tudósok és mérnökök oktatásával soha nem látott pontossággal tesztelhetjük a természet alapvető megértését. Ezek az erőfeszítések gyakran a mindennapi életben használt technológiák fejlődéséhez vezetnek: a GPS navigációs rendszert Einstein általános relativitáselméletének tesztelésére irányuló munka részeként hozták létre. Igaz, az ilyen váratlan felfedezéseket nehéz megjósolni. De türelemmel, kitartással és jó szerencsével betekinthetünk az univerzum legmélyebb mélységébe.
David Kaiser a Massachusettsi Műszaki Intézet professzora és előadója a fizika és a tudomány története terén. W. Patrick McCray-vel együtt szerkesztette a Groovy Science: Knowledge, Innovation és az American Counterculture c.