Преди милиард години (е, дай или вземи) в далечна, далечна галактика две черни дупки изпълниха космически балет pas de deux. Те обикаляха един друг, постепенно се приближаваха под въздействието на взаимната гравитация, докато се сблъскаха и сляха заедно. В резултат на такъв сблъсък настъпи колосално освобождаване на енергия, еквивалентно на три пъти масата на нашето слънце. Сближаването, сблъсъкът и сливането на две черни дупки хвърлиха околния пространствено-времеви континуум в безпорядък и изпратиха мощни гравитационни вълни във всички посоки със скоростта на светлината.
По времето, когато тези вълни достигнаха нашата Земя (и това беше сутринта на 14 септември 2015 г.), някога мощният рев с космически размери се превърна в едва доловим хленч. Въпреки това две огромни машини с дължина няколко километра (детектори на Лазерната интерферометрична обсерватория на гравитационните вълни PIOGV), разположени в щатите Луизиана и Вашингтон, регистрираха лесно разпознаваеми следи от тези вълни. Във вторник трима дългогодишни ръководители на проекта PIOGV - Райнер Вайс, Бари Бариш и Кип Торн - получиха Нобелова награда за физика за това постижение.
Това откритие се готви от дълго време, както в човешкия времеви мащаб, така и в астрономическия часовник. Д-р Вайс, д-р Торн и д-р Бариш и колеги са работили по своя проект в продължение на няколко десетилетия. Хиляди хора, работещи на пет континента, са участвали в откритието през 2015 г. Този проект беше пример за стратегическа визия за бъдещето от учени и политици, която е почти толкова отдалечена от нас, колкото тези сблъскващи се черни дупки.
В края на 60-те години д-р Вайс преподава старши курс по физика в Масачузетския технологичен институт. Няколко години по-рано физикът Джозеф Вебер обяви, че е открил гравитационни вълни с помощта на инструмент с алуминиеви цилиндрични антени. Вебер обаче не успя да убеди скептиците. Д-р Вайс даде на студентите си домашна работа, за да намерят друг начин за откриване на вълни. (Студенти, обърнете внимание: понякога домашната работа е предвестник на Нобелова награда.) Какво ще стане, ако се опитате да откриете гравитационните вълни, като внимателно проучите най-малките промени в интерференцията на лазерните лъчи, които се движат по различни пътища, и след това се свържете отново в детектора?
На теория гравитационните вълни трябва да се разтягат и свиват в пространството, като се движат през него. Д-р Вайс направи предположението, че подобно смущение ще промени дължината на пътя на един от лазерните лъчи, поради което двата лъча ще бъдат несинхронизирани по времето, когато достигнат детектора, а от разликата в десинхронизацията ще бъде възможно да се определят моделите на смущения.
Идеята беше дръзка и революционна. И това меко казано. За да уловят гравитационни вълни с очаквана амплитуда, използвайки интерференционната техника, физиците трябваше да открият разлика в разстоянието, която беше една част от хиляда милиарда милиарда. Това е като измерване на разстоянието между Земята и Слънцето по скалата на един атом, като същевременно се наблюдават всички други източници на вибрации и грешки, които могат да потиснат такъв слаб сигнал.
Не е изненадващо, че д-р Торн, който стана един от Нобеловите лауреати тази година, постави проблема като домашна задача в своя учебник от 1973 г. Той доведе учениците до заключението, че интерферометрията като метод за откриване на гравитационни вълни не е добра. (Добре, господа, студенти, понякога не е нужно да си правите домашните.) Но с по-задълбочено проучване на този проблем д-р Торн се превърна в един от най-силните поддръжници на интерферометричния метод.
Убеждаването на д-р Торн беше по-лесно от получаването на финансиране и привличането на студенти към работата. През 1972 г. Националната научна фондация отхвърля първото предложение на д-р Вайс. През 1974 г. той прави ново предложение и получава известно финансиране за проучването на дизайна. През 1978 г. д-р Вайс отбелязва в молбата си за финансиране: „Постепенно стигнах до осъзнаването, че този вид изследвания се извършват най-добре чрез безспорни и евентуално глупави учени, както и млади студенти с приключенски тенденции“.
Промоционално видео:
Обхватът на проекта постепенно се разширява. Сега огромните рамена на интерферометъра трябваше да се простират на няколко километра, а не на метри, и да бъдат оборудвани с най-модерната оптика и електроника. В същото време бюджетът и изследователският екип нарастваха. Изпълнението на този сложен проект сега изискваше не само задълбочени познания по физика, но и политически умения. По някое време опитите за изграждане на един от тези големи детектори в Мейн се провалят поради политическо съперничество и задкулисни сделки на конгресните апарати. Това научи учените, че има повече смущения от лазерните лъчи.
Изненадващо, Националната научна фондация одобри финансиране за PIOGV през 1992 г. Това беше най-скъпият проект на фондацията, както остава и до днес. Времето беше точно: след разпадането на Съветския съюз в края на 1991 г. физиците моментално осъзнаха, че аргументите от Студената война в полза на научните изследвания в Конгреса вече не са валидни.
По това време бюджетните тактики в Съединените щати навлязоха в нова фаза. Сега, когато се планираха дългосрочни проекти, беше необходимо да се вземат предвид честите заплахи за спиране на дейността на държавните органи (понякога те се осъществяваха). Това усложни ситуацията с бюджета, тъй като сега фокусът беше върху краткосрочни проекти, които обещаваха бързи резултати. Ако днес беше предложен проект като PIOGV, трудно е да си представим, че той ще получи одобрение.
PIOGV обаче демонстрира определени предимства на дългосрочния подход. Този проект илюстрира тясната връзка между науката и образованието, която далеч надхвърля домашните. Много студенти и специализанти от екипа на PIOGV станаха съавтори на историческа статия за откритите вълни. От 1992 г. в рамките на този проект само в САЩ са написани почти 600 дисертации, които са изготвени от учени от 100 университета и 37 държави. Научните изследвания са далеч отвъд физиката и сега обхващат области като инженерния дизайн и разработването на софтуер.
PIOGV показва какво можем да постигнем, гледайки отвъд хоризонта и не затваряйки годишните бюджети и отчети. Чрез изграждането на високочувствителни машини, обучението на интелигентни и отдадени млади учени и инженери, ние можем да проверим нашето фундаментално разбиране за природата с безпрецедентна точност. Подобни усилия често водят до подобрения в технологиите, използвани в ежедневието: GPS навигационната система е създадена като част от работата за тестване на общата теория на относителността на Айнщайн. Вярно е, че такива неочаквани открития е трудно да се предвидят. Но с търпение, постоянство и късмет можем да погледнем в най-съкровените дълбини на Вселената.
Дейвид Кайзер е професор и преподавател по физика и история на науката в Масачузетския технологичен институт. С W. Patrick McCray той е редактирал Groovy Science: Knowledge, Innovation и American Counterculture.
