For en milliard år siden (vel, gi eller ta) i en galakse langt, langt borte, utførte to sorte hull en kosmisk ballett pas de deux. De sirklet hverandre og kom gradvis nærmere under påvirkning av gjensidig tyngdekraft til de kolliderte og smeltet sammen. Som et resultat av en slik kollisjon skjedde en kolossal frigjøring av energi, tilsvarende tre ganger solens masse. Konvergens, kollisjon og sammenslåing av to sorte hull kastet det omgivende romtidskontinuum i uorden og sendte kraftige gravitasjonsbølger i alle retninger med lysets hastighet.
Da disse bølgene nådde jorden vår (og det var om morgenen 14. september 2015), ble det en gang kraftige brølet av kosmiske proporsjoner til en subtil klynking. Likevel registrerte to store maskiner som var flere kilometer lange (detektorer fra Laser Interferometric Observatory of Gravitational Waves PIOGV), i delstatene Louisiana og Washington, lett gjenkjennelige spor etter disse bølgene. Tirsdag mottok tre mangeårige PIOGV-prosjektledere - Rainer Weiss, Barry Barish og Kip Thorne - Nobelprisen i fysikk for denne prestasjonen.
Denne oppdagelsen har brygget lenge, både på den menneskelige tidsskalaen og på den astronomiske klokken. Dr. Weiss, Dr. Thorn og Dr. Barish og kolleger har jobbet med prosjektet sitt i flere tiår. Tusenvis av mennesker som jobber på fem kontinenter var involvert i oppdagelsen i 2015. Dette prosjektet eksemplifiserer en strategisk visjon for fremtiden fra forskere og beslutningstakere, som er nesten like langt unna oss som disse kolliderende sorte hullene.
På slutten av 1960-tallet lærte Dr. Weiss et seniorfysikkurs ved Massachusetts Institute of Technology. Noen år tidligere hadde fysikeren Joseph Weber kunngjort at han hadde oppdaget gravitasjonsbølger ved hjelp av et instrument med aluminiumsylinderantenner. Weber klarte imidlertid ikke å overbevise skeptikere. Dr. Weiss ga elevene sine lekser for å finne en annen måte å oppdage bølger på. (Studenter, legg merke til: noen ganger er lekser en forkjemper for en Nobelpris.) Hva om du prøver å oppdage gravitasjonsbølger ved å nøye studere de minste endringene i interferensen til laserstråler som beveger seg langs forskjellige baner, og deretter koble til igjen i detektoren?
I teorien bør gravitasjonsbølger strekke seg og trekke seg sammen i rommet og bevege seg gjennom det. Dr. Weiss antok at en slik forstyrrelse skulle endre banelengden til en av laserstrålene, som de to strålene vil miste synkronisering når de når detektoren, og fra forskjellen i desynkronisering vil det være mulig å bestemme interferensmønstrene.
Ideen var dristig og revolusjonerende. Og det er mildt sagt. For å fange gravitasjonsbølger med forventet amplitude ved hjelp av interferensteknikk, måtte fysikere oppdage en forskjell i avstand som var en del i tusen milliarder milliarder. Det er som å måle avstanden mellom jorden og solen på skalaen til et enkelt atom, mens du overvåker alle andre kilder til vibrasjon og feil som kan undertrykke et så svakt signal.
Ikke overraskende stilte Dr. Thorne, som ble en av nobelprisvinnerne i år, problemet som en lekseroppgave i sin lærebok fra 1973. Han førte studentene til den konklusjonen at interferometri som metode for å oppdage gravitasjonsbølger ikke var bra. (Ok, mine herrer, studenter, noen ganger trenger du ikke å gjøre leksene dine.) Men med en dypere studie av dette problemet ble Dr. Thorne en av de sterkeste støttespillere for den interferometriske metoden.
Det var lettere å overbevise Dr. Thorne enn å skaffe finansiering og få studenter involvert. National Science Foundation i 1972 avviste Dr. Weiss sitt første forslag. I 1974 fremmet han et nytt forslag og fikk litt støtte til designstudien. I 1978 bemerket Dr. Weiss i sin søknad om finansiering: "Etter hvert skjønte jeg at denne typen forskning best gjøres av utvilsomme og muligens dumme forskere, samt unge studenter med eventyrlystne tilbøyeligheter."
Kampanjevideo:
Prosjektets omfang utvidet seg gradvis. De enorme armene til interferometeret måtte nå strekke seg i flere kilometer, ikke meter, og være utstyrt med den mest moderne optikken og elektronikken. Samtidig vokste budsjettet og forskerteamet. Implementeringen av dette komplekse prosjektet krevde nå ikke bare en dyp kunnskap om fysikk, men også politisk dyktighet. På et eller annet tidspunkt mislyktes forsøk på å bygge en av disse store detektorene i Maine på grunn av politiske rivaliseringer og avtaler bak kulissene fra kongressens apparatchiks. Dette lærte forskere at det er mer interferens enn laserstråler.
Overraskende nok godkjente National Science Foundation finansiering for PIOGV i 1992. Det var stiftelsens dyreste prosjekt, slik det er den dag i dag. Tidspunktet var riktig: etter Sovjetunionens sammenbrudd i slutten av 1991 skjønte fysikere øyeblikkelig at den kalde krigs begrunnelse for vitenskapelig forskning i Kongressen ikke lenger var gyldig.
Det var rundt denne tiden at budsjett taktikk i USA gikk inn i en ny fase. Nå, når du planla langsiktige prosjekter, var det nødvendig å ta hensyn til de hyppige truslene om å stanse aktiviteten til statlige organer (noen ganger ble de utført). Dette kompliserte budsjetteringssituasjonen ettersom fokus nå var på kortsiktige prosjekter som lovet raske resultater. Hvis et prosjekt som PIOGV ble foreslått i dag, er det vanskelig å forestille seg at det vil få godkjenning.
Imidlertid demonstrerer PIOGV visse fordeler med en langsiktig tilnærming. Dette prosjektet eksemplifiserer det nære forholdet mellom vitenskap og utdanning som går langt utover lekser. Mange lavere- og studenter fra PIOGV-teamet ble medforfattere av en historisk artikkel om de oppdagede bølgene. Siden 1992 har nesten 600 avhandlinger blitt skrevet innenfor rammen av dette prosjektet i USA alene, som ble utarbeidet av forskere fra 100 universiteter og 37 stater. Vitenskapelig forskning har gått langt utover fysikk, og omfatter nå områder som ingeniørdesign og programvareutvikling.
PIOGV viser hva vi kan oppnå ved å se utover horisonten og ikke bli hengt opp i årlige budsjetter og rapporter. Ved å bygge høysensitive maskiner og utdanne smarte og dedikerte unge forskere og ingeniører, kan vi teste vår grunnleggende forståelse av naturen med enestående presisjon. Slik innsats fører ofte til forbedringer i teknologiene som brukes i hverdagen: GPS-navigasjonssystemet ble opprettet som en del av arbeidet for å teste Einsteins generelle relativitetsteori. Det er sant at slike uventede funn er vanskelige å forutsi. Men med tålmodighet, utholdenhet og flaks kan vi se på de innerste dypene i universet.
David Kaiser er professor og lektor i fysikk og vitenskapshistorie ved Massachusetts Institute of Technology. Sammen med W. Patrick McCray redigerte han Groovy Science: Knowledge, Innovation og American Counterculture.
