Prieš milijardą metų (na, duok arba imk) toli toli esančioje galaktikoje dvi juodosios skylės atliko kosminį baletą „pas de deux“. Jie apvažiavo vienas kitą, palaipsniui artėdami tarpusavio sunkumo įtakoje, kol susidūrė ir susiliejo. Dėl tokio susidūrimo įvyko milžiniškas energijos išsiskyrimas, prilygstantis trigubai didesnei mūsų saulės masei. Dviejų juodųjų skylių suartėjimas, susidūrimas ir susijungimas sujudo aplinkinį erdvės ir laiko kontinuumą į netvarką ir šviesos greičiu siuntė galingas gravitacines bangas į visas puses.
Kol šios bangos pasiekė mūsų Žemę (ir tai buvo 2015 m. Rugsėjo 14 d. Rytą), kadaise galingas kosminių proporcijų riaumojimas virto subtiliu verkšlenimu. Nepaisant to, dvi didžiulės kelių kilometrų ilgio mašinos (Gravitacinių bangų lazerinės interferometrinės observatorijos PIOGV detektoriai), esančios Luizianos ir Vašingtono valstijose, užfiksavo lengvai atpažįstamus šių bangų pėdsakus. Antradienį trys ilgamečiai PIOGV projekto vadovai - Raineris Weissas, Barry Barishas ir Kipas Thorne'as už šį pasiekimą gavo Nobelio fizikos premiją.
Šis atradimas buvo sukurtas ilgą laiką tiek žmogaus laiko skalėje, tiek astronominiame laikrodyje. Dr. Weissas, Dr. Thornas ir Dr. Barishas su kolegomis kelis dešimtmečius dirbo prie savo projekto. Tūkstančiai žmonių, dirbančių penkiuose žemynuose, dalyvavo 2015 m. Šis projektas iliustruoja mokslininkų ir politikos formuotojų strateginę ateities viziją, kuri yra beveik taip toli nuo mūsų, kaip šios susiduriančios juodosios skylės.
Šeštojo dešimtmečio pabaigoje daktaras Veisas dėstė vyresniųjų fizikos kursus Masačusetso technologijos institute. Prieš kelerius metus fizikas Josephas Weberis paskelbė, kad aptiko gravitacines bangas naudodamas instrumentą su aliuminio cilindrų antenomis. Tačiau Weberiui nepavyko įtikinti skeptikų. Daktaras Veisas davė savo studentams namų darbus, kad surastų kitą būdą bangoms aptikti. (Studentai, atkreipkite dėmesį: kartais namų darbai yra Nobelio premijos pranašas.) Bet kas, jei bandysite aptikti gravitacines bangas atidžiai išnagrinėję mažiausius skirtingais keliais keliaujančių lazerio spindulių trukdžių pokyčius, o po to vėl prisijungdami detektoriuje?
Teoriškai gravitacinės bangos turėtų ištempti ir susitraukti erdvėje, juda per ją. Dr. Weissas padarė prielaidą, kad toks trikdymas pakeis vieno iš lazerio spindulių kelio ilgį, dėl kurio abu spinduliai bus nesinchroniški, kol jie pasieks detektorių, o iš desinchronizacijos skirtumo bus galima nustatyti trukdžių modelius.
Idėja buvo drąsi ir revoliucinga. Ir tai švelniai tariant. Norėdami užfiksuoti laukiamos amplitudės gravitacines bangas, naudodamiesi trukdžių technika, fizikai turėjo nustatyti atstumo skirtumą, kuris buvo viena tūkstančio milijardų milijardų dalių dalis. Tai tarsi matuoti atstumą tarp Žemės ir Saulės vieno atomo skalėje, stebint visus kitus vibracijos ir klaidų šaltinius, kurie gali slopinti tokį silpną signalą.
Nenuostabu, kad daktaras Thorne'as, šiais metais tapęs vienu iš Nobelio premijos laureatų, iškėlė problemą kaip namų užduotį savo 1973 m. Jis nuvedė studentus prie išvados, kad interferometrija kaip gravitacinių bangų nustatymo metodas visai nėra geras. (Gerai, ponai, studentai, kartais nereikia atlikti namų darbų.) Bet giliau išnagrinėjęs šią problemą, daktaras Thorne'as tapo vienu stipriausių interferometrinio metodo šalininkų.
Įtikinti daktarą Thorne'ą buvo lengviau nei gauti finansavimą ir įtraukti studentus. Nacionalinis mokslo fondas 1972 m. Atmetė pirmąjį daktaro Weisso pasiūlymą. 1974 m. Jis pateikė naują pasiūlymą ir gavo šiek tiek lėšų projekto studijai finansuoti. 1978 m. Daktaras Weissas savo paraiškoje dėl finansavimo pažymėjo: "Palaipsniui aš supratau, kad tokius tyrimus geriausiai gali atlikti neginčijami ir galbūt kvaili mokslininkai, taip pat jauni magistrantai, turintys nuotykių polinkių".
Reklaminis vaizdo įrašas:
Projekto apimtis palaipsniui plėtėsi. Didžiulės interferometro rankos dabar turėjo tęstis kelis kilometrus, o ne metrus, ir juose buvo įrengta moderniausia optika ir elektronika. Tuo pat metu augo biudžetas ir tyrimų grupė. Šiam sudėtingam projektui įgyvendinti dabar reikia ne tik gilių fizikos žinių, bet ir politinių įgūdžių. Tam tikru momentu bandymai pastatyti vieną iš šių didelių detektorių Meino mieste žlugo dėl politinių varžybų ir kongreso aparatų užkulisių. Tai išmokė mokslininkus, kad trukdžių yra daugiau nei lazerio spindulių.
Keista, kad Nacionalinis mokslo fondas patvirtino PIOGV finansavimą 1992 m. Tai buvo brangiausias fondo projektas, koks liko iki šiol. Laikas buvo tinkamas: 1991 m. Pabaigoje subyrėjus Sovietų Sąjungai, fizikai iškart suprato, kad Šaltojo karo argumentai už mokslinius tyrimus Kongrese nebegalioja.
Maždaug tuo metu biudžeto taktika JAV perėjo į naują etapą. Dabar, planuojant ilgalaikius projektus, reikėjo atsižvelgti į dažnus valstybės organų veiklos sustabdymo grasinimus (kartais jie buvo vykdomi). Tai apsunkino biudžeto sudarymo padėtį, nes dabar pagrindinis dėmesys buvo skiriamas trumpalaikiams projektams, kurie žadėjo greitus rezultatus. Jei šiandien būtų pasiūlytas toks projektas kaip PIOGV, sunku įsivaizduoti, kad jis gautų patvirtinimą.
Tačiau PIOGV rodo tam tikrus ilgalaikio požiūrio pranašumus. Šis projektas rodo glaudų mokslo ir švietimo ryšį, kuris gerokai viršija namų darbus. Daugelis PIOGV komandos studentų ir magistrantų tapo istorinio straipsnio apie aptiktas bangas bendraautoriais. Nuo 1992 m. Vien JAV įgyvendinant šį projektą buvo parašyta beveik 600 disertacijų, kurias parengė 100 universitetų ir 37 valstijų mokslininkai. Moksliniai tyrimai peržengė fizikos ribas ir dabar apima tokias sritis kaip inžinerijos projektavimas ir programinės įrangos kūrimas.
PIOGV parodo, ką galime pasiekti žvelgdami už horizonto ir neužkabinę metinių biudžetų bei ataskaitų. Sukurdami labai jautrias mašinas ir ugdydami protingus bei atsidavusius jaunus mokslininkus ir inžinierius, mes galime precedento neturinčiu tikslumu patikrinti savo pagrindinį gamtos supratimą. Tokios pastangos dažnai lemia kasdieniame gyvenime naudojamų technologijų patobulinimą: GPS navigacijos sistema buvo sukurta kaip dalis darbo, siekiant patikrinti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją. Tiesa, tokius netikėtus atradimus sunku nuspėti. Tačiau turėdami kantrybės, atkaklumo ir geros kloties galime pažvelgti į vidinę visatos gelmę.
Davidas Kaiseris yra Masačusetso technologijos instituto profesorius ir fizikos ir mokslo istorijos dėstytojas. Su W. Patricku McCray'u jis redagavo „Groovy Science: Knowledge, Innovation“ir „American Counterculture“.