Miljardi vuotta sitten (no, anna tai ota) kaukaisessa galaksissa kaksi mustaa aukkoa esittivät kosmisen baletin pas de deux. He kiertelivät toisiaan, tulossa vähitellen lähemmäksi keskinäisen painovoiman vaikutusta, kunnes törmäsivät ja sulautuivat yhteen. Tällaisen törmäyksen seurauksena tapahtui valtava energian vapautuminen, joka vastaa kolminkertaista aurinkomme massaa. Kahden mustan aukon konvergenssi, törmäys ja sulautuminen heitti ympäröivän avaruus-ajan jatkuvuuden epäjärjestykseen ja lähetti voimakkaita painovoima-aineita kaikkiin suuntiin valon nopeudella.
Mennessä nämä aallot saavuttivat maapallomme (ja se oli aamulla 14. syyskuuta 2015), kerran voimakas kosmisen mittasuhteen muutos muuttui hienovaraiseksi virinaksi. Louisianan ja Washingtonin osavaltioissa sijaitsevista kahdesta valtavasta, useita kilometrejä pituisesta koneesta (gravitaatioaaltojen laserinterferometrisen observatorion detektorit PIOGV) tallennettiin näiden aaltojen helposti tunnistettavissa olevat jäljet. Tiistaina kolme pitkää PIOGV-projektin johtajaa - Rainer Weiss, Barry Barish ja Kip Thorne - saivat fysiikan Nobel-palkinnon tästä saavutuksesta.
Tämä löytö on tuottanut pitkään, sekä ihmisen aika-asteikolla että tähtitieteellisellä kellolla. Dr. Weiss, Dr. Thorn ja Dr. Barish ja kollegat ovat työskennelleet projektinsa parissa vuosikymmenien ajan. Tuhannet ihmiset, jotka työskentelivät viidellä mantereella, osallistuivat vuoden 2015 löytöön. Tämä projekti oli esimerkki tutkijoiden ja poliitikkojen strategisesta näkemyksestä tulevaisuudesta, joka on melkein yhtä kaukana meistä kuin nämä törmäävät mustat aukot.
1960-luvun lopulla tohtori Weiss opetti vanhempaa fysiikkakurssia Massachusettsin teknillisessä instituutissa. Muutama vuosi aiemmin fyysikko Joseph Weber ilmoitti löytäneensä gravitaatioaallot käyttämällä instrumenttia, jossa oli alumiinisylinteriantenneja. Weber ei kuitenkaan onnistunut vakuuttamaan epäilijöitä. Tohtori Weiss antoi oppilailleen kotitehtävän löytää toinen tapa havaita aallot. (Opiskelijat, huomioi: joskus kotitehtävät ovat Nobel-palkinnon ennustaja.) Entä jos yrität havaita gravitaatioaallot tutkimalla huolellisesti pienimmät muutokset eri polkuja kulkemien lasersäteiden häiriöissä ja kytkeytyä sitten uudelleen ilmaisimeen?
Teoriassa gravitaatioaaltojen tulisi venyttää ja supistua avaruudessa liikkuen sen läpi. Tohtori Weiss oletti, että tällainen häiriö muuttaisi yhden lasersäteen polun pituutta, minkä vuoksi nämä kaksi sädettä ovat synkronoitumattomina, kun ne saavuttavat ilmaisimen, ja desynkronointierosta on mahdollista määrittää häiriökuviot.
Idea oli rohkea ja vallankumouksellinen. Ja se on lievästi sanottuna. Odotetun amplitudin gravitaatioaaltojen sieppaamiseksi interferenssitekniikalla fyysikkojen oli havaittava etäisyysero, joka oli yksi osa tuhannesta miljardista miljardista. Se on kuin mitataan maapallon ja Auringon välinen etäisyys yhden atomin mittakaavassa ja samalla seurataan kaikkia muita tärinän ja virheen lähteitä, jotka voivat tukahduttaa niin heikon signaalin.
Ei ole yllättävää, että tohtori Thorne, josta tuli tänä vuonna yksi Nobelin palkinnonsaajista, esitti ongelman kotitehtävinä vuoden 1973 oppikirjassaan. Hän johti opiskelijat johtopäätökseen, että interferometria menetelmänä gravitaatioaaltojen havaitsemiseksi ei ollut hyvä. (Okei, herrat, opiskelijat, joskus sinun ei tarvitse tehdä kotitehtäviä.) Mutta tutkimalla tätä ongelmaa syvemmälle, tohtori Thornesta tuli yksi vahvimmista interferometrisen menetelmän kannattajista.
Thornin vakuuttaminen oli helpompaa kuin rahoituksen saaminen ja opiskelijoiden houkutteleminen työhön. Kansallinen tiedesäätiö hylkäsi tohtori Weissin ensimmäisen ehdotuksen vuonna 1972. Vuonna 1974 hän teki uuden ehdotuksen ja sai jonkin verran rahoitusta suunnittelututkimukseen. Vuonna 1978 tohtori Weiss totesi rahoitushakemuksessaan: "Vähitellen huomasin, että tämäntyyppisen tutkimuksen tekevät parhaiten kiistattomat ja mahdollisesti tyhmät tutkijat sekä nuoret jatko-opiskelijat, joilla on seikkailunhaluisia taipumuksia."
Mainosvideo:
Hankkeen laajuus laajeni vähitellen. Interferometrin valtavien varsien oli nyt ulotuttava useita kilometrejä, ei metrejä, ja ne oli varustettava moderneimmalla optiikalla ja elektroniikalla. Samanaikaisesti budjetti ja tutkimusryhmä kasvoivat. Tämän monimutkaisen projektin toteuttaminen vaati nyt paitsi syvällistä fysiikan tuntemusta myös poliittista taitoa. Jossain vaiheessa yritykset rakentaa yksi näistä suurista ilmaisimista Maine epäonnistui poliittisen kilpailun ja kongressin aputekikkien kulissien takana. Tämä opetti tutkijoille, että häiriöitä on enemmän kuin lasersäteitä.
Yllättäen kansallinen tiedesäätiö hyväksyi PIOGV: n rahoituksen vuonna 1992. Se oli säätiön kallein projekti, kuten se on edelleen. Ajoitus oli oikea: Neuvostoliiton hajoamisen jälkeen vuoden 1991 lopussa fyysikot huomasivat heti, että kylmän sodan väitteet kongressin tieteellisen tutkimuksen puolesta eivät enää olleet päteviä.
Tuolloin Yhdysvaltain budjettitaktiikka siirtyi uuteen vaiheeseen. Pitkäaikaisia hankkeita suunniteltaessa oli nyt otettava huomioon valtion elinten toiminnan keskeyttämisen usein uhkaavat (joskus ne toteutettiin). Tämä vaikeutti budjetointia, koska painopiste oli nyt lyhytaikaisissa projekteissa, jotka lupaavat nopeita tuloksia. Jos PIOGV: n kaltaista hanketta ehdotettaisiin tänään, on vaikea kuvitella, että se saisi hyväksynnän.
PIOGV osoittaa kuitenkin tiettyjä pitkän aikavälin lähestymistavan etuja. Tämä projekti on esimerkki tieteen ja koulutuksen läheisestä suhteesta, joka ylittää kotitehtävät. Monista PIOGV-tiimin perustutkinto- ja jatko-opiskelijoista tuli havaittujen aaltojen historiallisen artikkelin kirjoittaja. Vuodesta 1992 lähtien pelkästään Yhdysvalloissa on tämän projektin yhteydessä kirjoitettu lähes 600 väitöskirjaa, jotka ovat valmistelleet tutkijat 100 yliopistosta ja 37 osavaltiosta. Tieteellinen tutkimus on mennyt paljon fysiikan ulkopuolelle, ja se kattaa nyt muun muassa tekniikan ja ohjelmistokehityksen.
PIOGV näyttää, mitä voimme saavuttaa katsomalla horisontin ulkopuolelle eikä jäämällä kiinni vuosibudjetista ja -raporteista. Rakentamalla erittäin herkkiä koneita, kouluttamalla älykkäitä ja omistautuneita nuoria tutkijoita ja insinöörejä, voimme testata perustavanlaatuisen käsityksemme luonnosta ennennäkemättömällä tarkkuudella. Tällaiset ponnistelut johtavat usein päivittäisessä elämässä käytettävien tekniikoiden parantamiseen: GPS-navigointijärjestelmä luotiin osana työtä Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian testaamiseksi. Totta, tällaisia odottamattomia löytöjä on vaikea ennustaa. Mutta kärsivällisyydellä, sinnikkyydellä ja onnella voimme tarkastella maailmankaikkeuden sisimpää syvyyttä.
David Kaiser on professori ja luennoitsija fysiikassa ja tieteen historiassa Massachusettsin teknillisessä instituutissa. Hän teki yhteistyötä W. Patrick McCrayn kanssa muokatakseen Groovy Science: Knowledge, Innovation ja American Counterculture.