För en miljard år sedan (ja, ge eller ta) i en galax långt, långt borta, utförde två svarta hål en kosmisk balett pas de deux. De cirklade varandra och kom gradvis närmare under påverkan av ömsesidig tyngdkraft tills de kolliderade och slog ihop. Som ett resultat av en sådan kollision inträffade en kolossal frigöring av energi, motsvarande tre gånger massan av vår sol. Konvergensen, kollisionen och sammanslagningen av två svarta hål kastade det omgivande rymdtidskontinuet i upplösning och skickade kraftfulla gravitationsvågor i alla riktningar med ljusets hastighet.
När dessa vågor nådde vår jord (och det var på morgonen den 14 september 2015) förvandlades det en gång kraftfulla bruset av kosmiska proportioner till en subtil gnälla. Ändå registrerade två stora maskiner flera kilometer långa (detektorer från Laser Interferometric Observatory of Gravitational Waves PIOGV), som ligger i delstaterna Louisiana och Washington, lätt igenkännliga spår av dessa vågor. På tisdag fick tre långvariga PIOGV-projektledare - Rainer Weiss, Barry Barish och Kip Thorne - Nobelpriset i fysik för denna prestation.
Denna upptäckt har bryggts under lång tid, både på den mänskliga tidsskalan och på den astronomiska klockan. Dr. Weiss, Dr. Thorn och Dr. Barish och kollegor har arbetat med sitt projekt i flera decennier. Tusentals människor som arbetar på fem kontinenter var inblandade i upptäckten 2015. Detta projekt var ett exempel på en strategisk framtidsvision av forskare och politiker, som är nästan lika avlägsen från oss som dessa kolliderande svarta hål.
I slutet av 1960-talet undervisade doktor Weiss på en kurs i seniorfysik vid Massachusetts Institute of Technology. Några år tidigare hade fysikern Joseph Weber meddelat att han hade upptäckt gravitationella vågor med hjälp av ett instrument med aluminiumcylinderantenner. Men Weber misslyckades med att övertyga skeptiker. Dr. Weiss gav sina elever en läxuppgift för att hitta ett annat sätt att upptäcka vågor. (Studenter, anteckna: ibland är läxor ett förbud för ett Nobelpris.) Men vad händer om du försöker upptäcka gravitationsvågor genom att noggrant studera de minsta förändringarna i störningar från laserstrålar som färdas längs olika vägar och sedan återansluts i detektorn?
I teorin bör gravitationsvågor sträcka sig och dra ihop sig i rymden och röra sig genom den. Dr. Weiss föreslog att en sådan störning skulle förändra banlängden för en av laserstrålarna, varigenom de två strålarna kommer att förlora synkronisering när de når detektorn, och från skillnaden i desynkronisering är det möjligt att bestämma interferensmönstren.
Idén var vågad och revolutionerande. Och det säger det milt. För att fånga gravitationsvågor med förväntad amplitud med hjälp av störningstekniken, var fysiker tvungna att upptäcka en skillnad i avstånd som var en del i tusen miljarder miljarder. Det är som att mäta avståndet mellan jorden och solen på skalan för en enda atom, medan du övervakar alla andra vibrationskällor och fel som kan undertrycka en sådan svag signal.
Det är inte förvånande att Dr. Thorne, som blev en av nobelpristagarna i år, ställde problemet som en läxuppgift i sin lärobok från 1973. Han ledde eleverna till slutsatsen att interferometri som en metod för att upptäcka gravitationsvågor inte alls är bra. (Okej, herrar, studenter, ibland behöver du inte göra dina läxor.) Men med en djupare undersökning av detta problem blev Dr. Thorne en av de starkaste anhängarna av den interferometriska metoden.
Att övertyga Dr. Thorne var lättare än att få finansiering och få studenter involverade. National Science Foundation 1972 avvisade Dr Weiss första förslag. 1974 lade han fram ett nytt förslag och fick lite finansiering för designstudien. 1978 konstaterade Dr. Weiss i sin ansökan om finansiering: "Gradvis kom jag till insikten att denna typ av forskning bäst utförs av obestridliga och möjligen dumma forskare, liksom unga doktorander med äventyrliga tendenser."
Kampanjvideo:
Projektets omfattning utvidgades gradvis. Interferometerns enorma armar var nu tvungna att sträcka sig över flera kilometer, inte meter, och vara utrustade med den modernaste optiken och elektroniken. Samtidigt växte budgeten och forskargruppen. Genomförandet av detta komplexa projekt krävde nu inte bara en djup kunskap om fysik utan också politisk skicklighet. Vid någon tidpunkt misslyckades försök att bygga en av dessa stora detektorer i Maine på grund av politiska rivaliteter och affärer bakom kulisserna från kongressapparater. Detta lärde forskare att det finns mer störningar än laserstrålar.
Överraskande nog godkände National Science Foundation finansiering för PIOGV 1992. Det var det dyraste projektet i stiftelsen, eftersom det fortfarande är i dag. Tidpunkten var rätt: efter Sovjetunionens kollaps i slutet av 1991 insåg fysiker omedelbart att det kalla krigets argument för vetenskaplig forskning i kongressen inte längre var giltiga.
Det var vid denna tidpunkt att budgettaktiken i USA gick in i en ny fas. Nu, när man planerade långsiktiga projekt, var det nödvändigt att ta hänsyn till de ofta förekommande hoten om att de statliga organens aktiviteter avbröts (ibland genomfördes de). Detta komplicerade budgeteringssituationen eftersom fokus nu låg på kortsiktiga projekt som lovade snabba resultat. Om ett projekt som PIOGV föreslogs idag är det svårt att föreställa sig att det skulle få godkännande.
PIOGV visar dock vissa fördelar med ett långsiktigt tillvägagångssätt. Detta projekt exemplifierar det nära förhållandet mellan vetenskap och utbildning som går långt utöver läxor. Många studenter och doktorander från PIOGV-teamet blev medförfattare till en historisk artikel om de upptäckta vågorna. Sedan 1992 har nästan 600 avhandlingar skrivits inom ramen för detta projekt enbart i USA, som utarbetats av forskare från 100 universitet och 37 stater. Vetenskaplig forskning har gått långt utöver fysiken och omfattar nu områden som ingenjörsdesign och programutveckling.
PIOGV visar vad vi kan uppnå genom att se bortom horisonten och inte hänga på årliga budgetar och rapporter. Genom att bygga mycket känsliga maskiner, utbilda smarta och engagerade unga forskare och ingenjörer kan vi testa vår grundläggande förståelse av naturen med oöverträffad precision. Sådana ansträngningar leder ofta till förbättringar av den teknik som används i vardagen: GPS-navigationssystemet skapades som en del av arbetet för att testa Einsteins allmänna relativitetsteori. Det är sant att sådana oväntade upptäckter är svåra att förutsäga. Men med tålamod, uthållighet och tur kan vi titta in i universums innersta djup.
David Kaiser är professor och lektor i fysik och vetenskapshistoria vid Massachusetts Institute of Technology. Han samarbetade med W. Patrick McCray för att redigera Groovy Science: Knowledge, Innovation och American Counterculture.