Een zoektocht van 40 jaar om Einstein gelijk te bewijzen

Op 14 september 2015 begon Rainer Weiss '55, PhD '62, de eerste dag van zijn vakantie in Maine door te doen wat hij elke ochtend na het ontbijt doet, waar hij ook is: hij controleerde de experimentlogboeken voor de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatorium (LIGO). Een aankondiging dat wekelijkse reparaties die voor de volgende dag waren gepland, waren geannuleerd, vond Weiss, emeritus hoogleraar natuurkunde, vreemd. Even later stuurde een stortvloed van e-mails hem naar een website met afbeeldingen die hem als een donderslag lieten voelen: LIGO, het instrument dat hij vier decennia eerder had bedacht, had een signaal opgenomen tijdens een van de eerste testruns na een grote upgrade. Hij slaakte een kreet waardoor zijn vrouw en zoon op de vlucht sloegen. Toen begon het ongeloof, zegt hij. Het signaal was te groot en te perfect. Het duurde enkele dagen voordat ik echt begon te geloven dat het een echte gebeurtenis was.

Na maanden van analyse en hercontrole van gegevens, kondigde een internationaal team van onderzoekers onder leiding van wetenschappers van MIT en Caltech in februari aan dat het signaal afkomstig was van twee enorme zwarte gaten die 1,3 miljard jaar geleden met elkaar in botsing waren gekomen. Die botsing had een uitbarsting van kracht veroorzaakt die naar schatting wel 100 keer zo groot was als die van alle sterren in het universum, wat een rimpeling in de ruimtetijd veroorzaakte die door LIGO werd geregistreerd. Het was de eerste directe detectie van de zwaartekrachtsgolven die Einstein een eeuw geleden voorspelde.

Waar begint het verhaal van LIGO?
Het begon hier in 1967. Ik werd door het hoofd van de opleiding natuurkunde gevraagd om een ​​cursus algemene relativiteitstheorie te geven. Tegen de tijd dat 1967 ronddraaide, was de algemene relativiteitstheorie gedegradeerd tot wiskundeafdelingen. Het was een theorie van de zwaartekracht, maar het was voornamelijk wiskunde, en in de hoofden van de meeste mensen had het niets te maken met natuurkunde. En dat kwam vooral omdat experimenten om het te bewijzen zo moeilijk waren om te doen - al deze effecten die de theorie van Einstein had voorspeld, waren oneindig klein.

Einstein had gekeken naar de getallen en dimensies die in zijn vergelijkingen voor zwaartekrachtsgolven werden gebruikt en zei in wezen: Dit is zo klein dat het nooit enige invloed zal hebben op iets, en niemand kan het meten. En als je denkt aan de tijd en de technologie in 1916, had hij waarschijnlijk gelijk.

Het belangrijkste dat de afgelopen 100 jaar is gebeurd, is dat mensen dingen in de astronomie ontdekten die heel anders waren dan wat ze in 1916 wisten: dicht compacte bronnen [van zwaartekrachtsgolven], enorm dicht, zoals een neutronenster, en zwarte gaten. En er was technologie om precisiemetingen uit te voeren, want je had lasers, masers, elektronica, computers en een heleboel dingen die mensen in 1916 niet hadden.

Dus de technologie en kennis van het universum maakten het mogelijk, tegen de tijd dat we hierin kwamen, om te overwegen om te proberen naar zwaartekrachtsgolven te zoeken.

In de jaren zestig had Joseph Weber van de Universiteit van Maryland het idee dat de technologie misschien zo ver was gekomen dat je naar zwaartekrachtsgolven kon zoeken, en hij bedacht een methode om dat te doen. Hij stelde zich een soort xylofoon voor die gemaakt was van massieve resonantiestaven. Hij verwachtte dat er een zwaartekrachtgolf zou komen die aan een van de staven zou trekken en erin zou knijpen, en als de golf wegging, zou het een puls achterlaten, en het ding zou rinkelen en je kon het horen.

Het was het eerste idee dat je iets actiefs moest doen om zwaartekrachtgolven te gaan zoeken. En hij had in de jaren zestig een ontdekking beweerd.

Toen ik mijn cursus gaf, waren de studenten erg geïnteresseerd in wat [Webers experiment] was. En ik zal eerlijk tegen je zijn, ik kon voor mijn leven niet begrijpen wat hij aan het doen was. Dat was het probleem. Omdat het volledig indruiste tegen elke intuïtie die ik nu had ontwikkeld over de algemene relativiteitstheorie. Ik kon het de studenten niet uitleggen.

Dat was destijds mijn dilemma, en toen werd de uitvinding gedaan. Ik zei: wat is het eenvoudigste dat ik kan bedenken om deze studenten te laten zien dat je de invloed van een zwaartekrachtsgolf kunt detecteren?

Het voor de hand liggende voor mij was, laten we vrij zwevende massa's in de ruimte nemen en de tijd meten die licht nodig heeft om tussen hen te reizen. De aanwezigheid van een zwaartekrachtgolf zou die tijd veranderen. Met behulp van het tijdsverschil zou men de amplitude van de golf kunnen meten. Vergelijkingen voor dit proces zijn eenvoudig te schrijven en de meeste leerlingen in de klas zouden het kunnen. Vergeet even dat dit een gedachte-experiment was dat onmogelijk nauwkeurige klokken vereiste. Het principe was oké.

Simulatie van de botsing van zwarte gaten die de zwaartekrachtgolven veroorzaakten die op 1 september 2015 door LIGO werden gedetecteerd.

Ik dacht er niet veel meer over na, tot ongeveer een jaar later, toen ik me iets begon te realiseren over de experimenten van Weber: niemand kreeg het antwoord dat hij kreeg. Hij had een enorme en krachtige claim gemaakt. En ik begon te beseffen dat dit misschien verkeerd was, en misschien was zelfs zijn idee van hoe het werkt verkeerd.

Dus ging ik zitten in een kamertje in Gebouw 20, het Plywood Palace aan Vassar Street, en werkte de hele zomer aan het idee waar ik met mijn studenten over had gepraat. En wetende wat je met lasers zou kunnen doen, kwam ik erachter: zou je op deze manier zwaartekrachtsgolven kunnen detecteren? En ik kwam tot de conclusie dat ja, je zwaartekrachtgolven kon detecteren, met een sterkte die veel beter was dan waar Weber naar op zoek was.

Wat was er voor nodig om dit idee in fysieke vorm te brengen?
We waren een prototype van 1,5 meter aan het bouwen in RLE [the Research Laboratory of Electronics] met behulp van [militaire] financiering, en we waren redelijk goed op weg. Ineens was de financiering weg vanwege het Mansfield-amendement, dat een reactie was op de oorlog in Vietnam. In de hoofden van de lokale RLE-beheerders was onderzoek naar zwaartekracht en kosmologie niet in het belang van het leger en werd steun gegeven aan vastestoffysica, wat relevanter werd geacht. Voor het eerst moest ik voorstellen schrijven aan andere overheids- en particuliere instanties om ons onderzoek voort te zetten.

Niemand was nog serieus bezig met gravitatiegolf-interferometrie, hoewel, zoals ik later hoorde, anderen er ook over hadden nagedacht. Een Duitse groep aan het Max Planck Instituut in Garching had net een Weber-bar gebouwd. Ze hadden met de Italianen samengewerkt en ontdekten dat Weber ongelijk had. Ze hadden waarschijnlijk het allerbeste experiment van wie dan ook gedaan om dit aan te tonen. Dat was midden jaren 70.

Ze werden gevraagd om mijn voorstel aan de National Science Foundation te beoordelen, net toen ze nadachten over het volgende waar ze aan moesten werken. Ze hadden gedacht, zoals veel andere groepen in de wereld destijds, om nog betere Weber-repen te maken door ze af te koelen tot bijna het absolute nulpunt. In plaats daarvan namen ze de beslissing om het idee van de interferometer uit te proberen. Ze belden me om te vragen of er studenten waren die getraind waren op het prototype van 1,5 meter om hen een baan aan te bieden. (Precies op het moment dat ze belden waren er geen; even later voegde David Shoemaker, die aan het MIT-prototype had gewerkt, zich bij de Garching-groep.) Ze bouwden toen een prototype van drie meter, kregen het werkend en deden het prachtig .

Vervolgens bouwden ze er een van 30 meter lang. Iets later begon een groep in Glasgow, Schotland, onder leiding van Ronald Drever, die ook een Weber-bar had gebouwd, aan interferometrische detectoren.

Tegen de tijd dat ik financiering kreeg van de NSF en weer aan de slag ging, had de Duitse groep de meeste technische problemen met het idee echt opgelost en aangetoond dat alle berekeningen die ik had gedaan klopten, dat het precies werkte zoals berekend. Ze voegden ook enkele eigen ideeën toe die het beter maakten.

Bij de LIGO-detector in Livingston, Louisiana, duurde het 40 dagen om meer dan twee miljoen voetballen aan lucht te extraheren uit twee vier kilometer lange vacuümkamers, wat resulteerde in een biljoenste van de luchtdruk op zeeniveau.

Een belangrijke stap was in 1975. Omdat ik ook onderzoek deed naar kosmische achtergrondstraling, ondersteund door NASA, werd ik door NASA gevraagd om een ​​commissie te leiden over het gebruik van ruimteonderzoek op het gebied van kosmologie en relativiteit. Wat voor mij uit die commissie kwam, was dat ik [Caltech-natuurkundige] Kip Thorne ontmoette, aan wie ik had gevraagd om getuige te zijn voor de commissie.

Ik pikte Kip op van het vliegveld op een hete zomeravond toen Washington, D.C., vol toeristen was. Hij had geen hotelreservering, dus we deelden een kamer voor de nacht. Uiteindelijk hebben we de hele nacht doorgebracht met praten over wat voor Caltech interessante experimenten zou kunnen zijn om te doen. Kip had bij Caltech een van de beste theoriegroepen op het gebied van zwaartekracht ontwikkeld en dacht erover om daar een experimentele zwaartekrachtgroep te brengen. We legden op een groot stuk papier alle verschillende experimenten uit waar je een nieuwe groep omheen zou kunnen bouwen. Ik vertelde hem over dit ding waar we aan werkten. Hij had er nog nooit van gehoord en raakte erg geïnteresseerd. Wat eruit kwam was dat Kip en ik uiteindelijk besloten dat Caltech en MIT dit [project dat LIGO werd] samen zouden doen.

Wat waren enkele sleutelmomenten die het project vooruit hebben geholpen?
In de latere jaren zeventig deed de MIT-groep, die nu Peter Saulson en Paul Linsay omvat, samen met de industrie een studie om de haalbaarheid te bepalen van het bouwen van een grote zwaartekracht-golfinterferometer op kilometerschaal. In het onderzoek werd gekeken naar het maken van grote vacuümsystemen en het bepalen van de kosten voor het opschalen van de prototypes, de mogelijke locaties waar men L-vormige constructies van vijf tot tien kilometer zou kunnen bouwen met minimaal grondverzet en de beschikbaarheid van optica en lichtbronnen. We hebben gekeken naar de mogelijke bronnen van zwaartekrachtsgolven en verschillende concurrerende interferometerconcepten die in verschillende laboratoria in de wereld waren geprototypeerd. De informatie werd in een rapport, het Blue Book genaamd, geplaatst en in 1983 aan de NSF aangeboden. Wetenschappers van Caltech en MIT presenteerden samen de ideeën die in het Blue Book waren ontwikkeld, evenals de resultaten van het prototype-onderzoek.

Het voorstel dat we presenteerden was om een ​​detectorsysteem gevoelig genoeg te maken om zwaartekrachtsgolven van een astrofysische bron te detecteren (niet alleen een nieuw prototype). Het voorstel was om twee detectoren te bouwen. Je zou er geen wetenschap mee kunnen doen; je moest twee aparte detectoren hebben, even gevoelig en lang genoeg.

De MIT LIGO-groep in 2016. Voorste rij van links naar rechts: Haocun Yu, Ken Mason, Nergis Mavalvala, Maggie Tse, Rainer Weiss, Peter Fritschel, David Shoemaker, Hang Yu. Achterste rij van links naar rechts: 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.

Dat was later een echte strijd. Je wilde die ideeën behouden, en later wilden mensen het afschaffen: waarom niet gewoon één lange bouwen? Waarom zo lang bouwen? Al deze argumenten waren gemaakt, maar we hielden het uit. We moesten wel - anders hadden we het nooit overleefd en zouden we hier vandaag niet zijn. We kregen een goedkeuring van de commissie: riskant onderzoek met de mogelijkheid van een diepgaande uitkomst, het overwegen waard als een nieuw project van de NSF.

Halverwege de jaren tachtig bleef de NSF proberen uit te vinden hoe hiermee te beginnen. Toen, in 1986, gebeurde er iets interessants dat uiteindelijk de blokkade doorbrak. Richard Garwin, die had gewerkt met Enrico Fermi [Nobelprijswinnaar in de natuurkunde 1938] en met het ministerie van Energie, en alle berekeningen had gemaakt en de feitelijke ontwikkeling van de eerste waterstofbom had gedaan, was hoofdwetenschapper van IBM geworden. Hij had over Webers experimenten gelezen en besloot met een andere IBM-medewerker een kleintje te bouwen, veel slimmer dan wat Weber had gebouwd - en hij zag niets.

De NSF probeerde dit enorme nieuwe programma voor zwaartekrachtsgolven te verkopen. Garwin krijgt er lucht van en hij dacht dat hij deze draak had verslagen. Hij schreef een brief aan de NSF waarin stond: Als je hiermee doorgaat, kun je maar beter een echte studie hebben.

Dus deden we een onderzoek aan de American Academy of Arts and Sciences in Beacon Street in Cambridge. Het was een vergadering van een week met een uitstekende commissie van nuchtere wetenschappers die het onderzoek dat we hadden gedaan met de prototypes, de haalbaarheidsstudies om een ​​groot systeem te maken, de plannen voor de locatie van het systeem en de kostenramingen beoordeelden. De aanbeveling die de commissie deed was ongelooflijk goed: het project is absoluut de moeite waard, deel het niet op in één detector tegelijk, maak het de volledige lengte, geen prototypes meer. Het adviseerde ook een verandering in het management van het project om een ​​enkele directeur te hebben in plaats van een stuurgroep, zoals we het project tot dan toe hadden geleid.

In 1989 schreven we nog een voorstel onder leiding van Rochus Vogt [een voormalige provoost van Caltech], wat ons bijna zes maanden kostte om te schrijven - het was een meesterwerk. Het voorstel was om twee locaties te bouwen met vier kilometer lange interferometers. De interferometers moesten worden geënsceneerd. De eerste detector was gebaseerd op het inmiddels redelijk volwassen onderzoek van de prototypes met een gevoeligheid die een aannemelijke detectiekans bood. De tweede detector was gebaseerd op nieuwere, geavanceerde concepten die nog niet volledig waren getest, maar die een goede kans op detectie boden. Het voorstel kwam door de National Science Board en werd geaccepteerd, en er kwamen aanzienlijke bedragen binnen.

Tegen de jaren negentig is de rest van de geschiedenis gemakkelijker. Onder leiding van Barry Barish [een professor in de fysica van Caltech] werden de locaties gebouwd en ontwikkeld, werden vacuümsystemen gemaakt en begonnen we met het uitvoeren van de eerste detectoren. Tegen 2010 hadden we ze uitgevoerd en enorme verbeteringen aangebracht in hun gevoeligheid, maar hadden we niets gezien. Het was een schoon niets; de detectoren hadden tijdens het ontwerp gelopen en we zagen geen afwijkingen die konden worden geïnterpreteerd als zwaartekrachtsgolven. Op basis van het feit dat we [onze gewenste] ontwerpgevoeligheid hadden bereikt en de wetenschap hadden uitgevoerd om enkele interessante bovengrenzen voor mogelijke bronnen te bepalen, ontvingen we financiering om Advanced LIGO te bouwen.

LIGO-wetenschapper en MIT-professor Nergis Mavalvala omhelst Rebecca Weiss tijdens het MIT-evenement dat de ontdekking van zwaartekrachtsgolven aankondigt. MIT-president L. Rafael Reif had zojuist de aanwezigen in de Bush Room geleid om Weiss te applaudisseren en te zeggen … dit is ongetwijfeld ook jouw levenswerk geweest.

Hoe belangrijk is deze ontdekking voor u?
Voor zover het de ambities heeft vervuld van velen van ons die hieraan hebben gewerkt, is het gedenkwaardig. Het is het signaal dat we allemaal hebben willen zien, omdat we het wisten, we hadden er nooit echt bewijs van gehad, en het is de limiet van Einsteins vergelijkingen die nog nooit eerder zijn waargenomen - de dynamiek van de geometrie van ruimte-tijd in de sterke [zwaartekracht] veld en hoge snelheidslimiet.

Voor mij is het een afsluiting van iets dat een zeer gecompliceerde geschiedenis heeft gehad. De veldvergelijkingen en de hele geschiedenis van de algemene relativiteitstheorie zijn ingewikkeld geweest. Hier hebben we plotseling iets waar we ons aan kunnen vastklampen en zeggen: Einstein had gelijk. Wat een geweldig inzicht en intuïtie had hij.

Ik voel een enorm gevoel van opluchting en wat vreugde, maar vooral opluchting. Er is een aap die al 40 jaar op mijn schouder zit, en hij kletst in mijn oor en zegt: Ehhh, hoe weet je dat dit echt gaat werken? Je hebt er een hele hoop mensen bij betrokken. Stel dat het nooit goed gaat? En ineens is hij eraf gesprongen. Het is een enorme opluchting.

zich verstoppen