Pirms miljardu gadu (labi, dod vai ņem) galaktikā tālu, tālu prom, divi melnie caurumi izpildīja kosmisko baletu pas de deux. Viņi riņķoja viens otram apkārt, savstarpējās gravitācijas ietekmē pakāpeniski tuvojās, līdz sadūrās un saplūda kopā. Šādas sadursmes rezultātā notika milzīga enerģijas izdalīšanās, kas ir vienāda ar trīs reizes lielāku mūsu saules masu. Divu melno caurumu saplūšana, sadursme un saplūšana meta apkārtējās telpas-laika kontinuumu nesakārtotībā un gaismas ātrumā raidīja spēcīgus gravitācijas viļņus visos virzienos.
Līdz brīdim, kad šie viļņi sasniedza mūsu Zemi (un tas bija 2015. gada 14. septembra rītā), kādreiz spēcīgā kosmisko proporciju rūkoņa pārvērtās par tikko dzirdamu vaigu. Neskatoties uz to, divas milzīgas, vairākus kilometrus garas mašīnas (gravitācijas viļņu lāzera interferometriskās observatorijas PIOGV detektori), kas atrodas Luiziānas un Vašingtonas štatos, reģistrēja šo viļņu viegli atpazīstamas pēdas. Otrdien trīs ilggadējie PIOGV projekta vadītāji - Rainers Veiss, Berijs Barišs un Kips Torns - par šo sasniegumu saņēma Nobela prēmiju fizikā.
Šis atklājums ir bijis brūvēts jau ilgu laiku gan pēc cilvēka laika skalas, gan pēc astronomiskā pulksteņa. Dr Veiss, Dr Torns un Dr Barišs un kolēģi ir strādājuši pie sava projekta vairākus gadu desmitus. 2015. gada atklājumā bija iesaistīti tūkstošiem cilvēku, kuri strādāja piecos kontinentos. Šis projekts bija zinātnieku un politiķu stratēģiskās nākotnes vīzijas piemērs, kas ir gandrīz tikpat tālu no mums kā šie sadursmē nonākušie melnie caurumi.
Sešdesmito gadu beigās Dr. Veiss pasniedza vecāko fizikas kursu Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā. Dažus gadus iepriekš fiziķis Džozefs Vēbers bija paziņojis, ka viņš ir atklājis gravitācijas viļņus, izmantojot instrumentu ar alumīnija cilindru antenām. Tomēr Vēberam neizdevās pārliecināt skeptiķus. Doktors Veiss saviem studentiem uzdeva mājasdarbu, lai atrastu citu veidu, kā atklāt viļņus. (Studenti, ņemiet vērā: dažreiz mājas darbs ir Nobela prēmijas priekšvēstnesis.) Bet ja jūs mēģināt atklāt gravitācijas viļņus, rūpīgi izpētot mazākās izmaiņas lāzera staru traucējumos, kas pārvietojas pa dažādiem ceļiem, un pēc tam atkal pieslēdzas detektoram?
Teorētiski gravitācijas viļņiem vajadzētu izstiepties un sarauties telpā, pārvietojoties pa to. Dr Veiss izteica pieņēmumu, ka šādiem traucējumiem vajadzētu mainīt viena no lāzera staru ceļa garumu, kā dēļ abi stari zaudēs sinhronizāciju līdz brīdim, kad tie nonāks detektorā, un no desinhronizācijas atšķirības būs iespējams noteikt traucējumu modeļus.
Ideja bija drosmīga un revolucionāra. Un tas maigi izsakoties. Lai uztvertu paredzētās amplitūdas gravitācijas viļņus, izmantojot traucējumu tehniku, fiziķiem bija jānosaka attāluma starpība, kas bija viena daļa no tūkstoš miljardiem miljardu. Tas ir tāpat kā mērot attālumu starp Zemi un Sauli viena atoma mērogā, vienlaikus novērojot visus citus vibrācijas un kļūdu avotus, kas var nomākt tik vāju signālu.
Nav pārsteidzoši, ka doktors Torns, kurš šogad kļuva par vienu no Nobela prēmijas laureātiem, izvirzīja problēmu kā mājasdarbu savā 1973. gada mācību grāmatā. Viņš noveda studentus pie secinājuma, ka interferometrija kā gravitācijas viļņu noteikšanas metode nebūt nav laba. (Labi, kungi, studenti, dažreiz jums nav jāveic mājas darbs.) Bet, padziļināti izpētot šo problēmu, doktors Torns kļuva par vienu no spēcīgākajiem interferometriskās metodes atbalstītājiem.
Pārliecināt doktoru Tornu bija vieglāk nekā iegūt finansējumu un piesaistīt studentus darbam. Nacionālais zinātnes fonds 1972. gadā noraidīja Dr. Veisa pirmo priekšlikumu. 1974. gadā viņš izteica jaunu priekšlikumu un saņēma nelielu finansējumu dizaina pētījumam. 1978. gadā doktors Veiss savā pieteikumā par finansējumu atzīmēja: "Pamazām es nonācu pie atziņas, ka šāda veida pētījumus vislabāk var veikt neapšaubāmi un, iespējams, stulbi zinātnieki, kā arī jauni maģistranti ar piedzīvojumu tendencēm."
Reklāmas video:
Projekta apjoms pakāpeniski paplašinājās. Interferometra milzīgajām rokām tagad vajadzēja izstiepties vairākus kilometrus, nevis metrus, un tām jābūt aprīkotām ar vismodernāko optiku un elektroniku. Tajā pašā laikā pieauga budžets un pētnieku grupa. Šī sarežģītā projekta īstenošana tagad prasīja ne tikai dziļas zināšanas fizikā, bet arī politiskas prasmes. Kādā brīdī mēģinājumi uzbūvēt vienu no šiem lielajiem detektoriem Menā izgāzās politiskās sāncensības un kongresa aparātu aizkulises dēļ. Tas zinātniekiem mācīja, ka traucējumu ir vairāk nekā lāzera staru.
Pārsteidzoši, ka Nacionālais zinātnes fonds 1992. gadā apstiprināja PIOGV finansējumu. Tas bija visdārgākais fonda projekts, kā tas joprojām ir līdz šai dienai. Laiks bija pareizs: pēc Padomju Savienības sabrukuma 1991. gada beigās fiziķi uzreiz saprata, ka aukstā kara argumenti par labu zinātniskajiem pētījumiem Kongresā vairs nav derīgi.
Tieši šajā laikā budžeta taktika Amerikas Savienotajās Valstīs iegāja jaunā posmā. Tagad, plānojot ilgtermiņa projektus, bija jāņem vērā biežie draudi par valsts struktūru darbības apturēšanu (dažreiz tie tika veikti). Tas sarežģīja budžeta plānošanas situāciju, jo galvenā uzmanība tagad tika pievērsta īstermiņa projektiem, kas solīja ātrus rezultātus. Ja šodien tiktu ierosināts tāds projekts kā PIOGV, ir grūti iedomāties, ka tas saņemtu apstiprinājumu.
Tomēr PIOGV demonstrē noteiktas ilgtermiņa pieejas priekšrocības. Šis projekts ilustrē ciešās attiecības starp zinātni un izglītību, kas tālu pārsniedz mājas darbus. Daudzi PIOGV komandas studenti un absolventi kļuva par līdzautoriem vēsturiskajam rakstam par atklātajiem viļņiem. Kopš 1992. gada šī projekta ietvaros tikai Amerikas Savienotajās Valstīs ir uzrakstītas gandrīz 600 disertācijas, kuras sagatavojuši zinātnieki no 100 universitātēm un 37 štatiem. Zinātniskie pētījumi ir tālu aiz fizikas, un tagad tie aptver tādas jomas kā inženiertehniskais dizains un programmatūras izstrāde.
PIOGV parāda, ko mēs varam sasniegt, skatoties ārpus horizonta un nepieķeroties gada budžetiem un ziņojumiem. Veidojot ļoti jutīgas mašīnas un izglītojot gudrus un uzticīgus jaunos zinātniekus un inženierus, mēs ar nepieredzētu precizitāti varam pārbaudīt savu fundamentālo dabas izpratni. Šādi centieni bieži vien uzlabo ikdienas dzīvē izmantotās tehnoloģijas: GPS navigācijas sistēma tika izveidota kā daļa no darba, lai pārbaudītu Einšteina vispārējo relativitātes teoriju. Tiesa, šādus negaidītus atklājumus ir grūti paredzēt. Bet ar pacietību, neatlaidību un veiksmi mēs varam ielūkoties visuma dziļākajos dziļumos.
Deivids Keisers ir Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta profesors un pasniedzējs fizikā un zinātnes vēsturē. Kopā ar W. Patrick McCray viņš ir rediģējis Groovy Science: Knowledge, Innovation un American Counterculture.