For en milliard år siden (ja, giv eller tag) i en galakse langt langt væk udførte to sorte huller en kosmisk ballet pas de deux. De cirklede hinanden og kom gradvist tættere på under indflydelse af gensidig tyngdekraft, indtil de kolliderede og smeltede sammen. Som et resultat af en sådan kollision opstod en kolossal frigivelse af energi svarende til tre gange massen af vores sol. Konvergensen, kollisionen og fusionen af to sorte huller kastede det omgivende rum-tidskontinuum i uorden og sendte kraftige tyngdekraftsbølger i alle retninger med lysets hastighed.
Da disse bølger nåede vores jord (og det var om morgenen den 14. september 2015), blev det engang kraftige brøl af kosmiske proportioner til en knap hørbar klynke. Ikke desto mindre registrerede to store maskiner, der var flere kilometer lange (detektorer fra Laser Interferometric Observatory of Gravitational Waves PIOGV), i delstaterne Louisiana og Washington, let genkendelige spor af disse bølger. Tirsdag modtog tre mangeårige PIOGV-projektledere - Rainer Weiss, Barry Barish og Kip Thorne - Nobelprisen i fysik for denne præstation.
Denne opdagelse har brygget i lang tid, både på den menneskelige tidsskala og på det astronomiske ur. Dr. Weiss, Dr. Thorn og Dr. Barish og kolleger har arbejdet med deres projekt i flere årtier. Tusinder af mennesker, der arbejder på fem kontinenter, var involveret i opdagelsen i 2015. Dette projekt var et eksempel på en strategisk vision for fremtiden fra forskere og politikere, som er næsten lige så fjern fra os som disse kolliderende sorte huller.
I slutningen af 1960'erne underviste Dr. Weiss i fysik ved Senior Institute of Technology. Et par år tidligere havde fysikeren Joseph Weber meddelt, at han havde opdaget tyngdebølger ved hjælp af et instrument med aluminiumcylinderantenner. Imidlertid overbeviste Weber ikke skeptikere. Dr. Weiss gav sine elever en lektieopgave for at finde en anden måde at opdage bølger på. (Studerende, tag en note: nogle gange er hjemmearbejde en forkæmper for en Nobelpris.) Men hvad nu hvis du prøver at opdage tyngdebølger ved nøje at undersøge de mindste ændringer i interferensen af laserstråler, der bevæger sig ad forskellige stier og derefter tilslutter igen i detektoren?
I teorien skal tyngdekraftsbølger strække sig og trække sig sammen i rummet og bevæge sig gennem det. Dr. Weiss antog, at en sådan forstyrrelse ville ændre banelængden på en af laserstrålerne, hvorfor de to stråler vil være ude af synkronisering, når de når detektoren, og ud fra forskellen i desynkronisering vil det være muligt at bestemme interferensmønstre.
Ideen var dristig og revolutionerende. Og det siger det mildt. For at fange gravitationsbølger med forventet amplitude ved hjælp af interferensteknikken, måtte fysikere opdage en forskel i afstand, der var en del i tusind milliarder milliarder. Det er som at måle afstanden mellem jorden og solen på skalaen af et enkelt atom, mens man overvåger alle andre kilder til vibration og fejl, der kan undertrykke et så svagt signal.
Ikke overraskende stillede Dr. Thorne, der blev en af nobelpristagerne i år, problemet som en hjemmearbejde i sin lærebog fra 1973. Han førte de studerende til den konklusion, at interferometri som metode til detektering af tyngdebølger ikke var god. (Okay, mine herrer, studerende, nogle gange behøver du ikke lave dine lektier.) Men med en dybere undersøgelse af dette problem blev Dr. Thorne en af de stærkeste tilhængere af den interferometriske metode.
Det var lettere at overbevise Dr. Thorn end at skaffe finansiering og tiltrække studerende til arbejdet. National Science Foundation i 1972 afviste Dr. Weiss første forslag. I 1974 fremsatte han et nyt forslag og modtog noget støtte til designstudiet. I 1978 bemærkede Dr. Weiss i sin ansøgning om finansiering: "Efterhånden blev jeg klar over, at denne form for forskning bedst udføres af ubestridte og muligvis dumme forskere såvel som unge kandidatstuderende med eventyrlystne tilbøjeligheder."
Salgsfremmende video:
Projektets omfang blev gradvist udvidet. Interferometerets enorme arme måtte nu strække sig over flere kilometer, ikke meter, og være udstyret med den mest moderne optik og elektronik. Samtidig voksede budgettet og forskergruppen. Implementeringen af dette komplekse projekt krævede nu ikke kun en dyb viden om fysik, men også politisk dygtighed. På et tidspunkt mislykkedes forsøg på at bygge en af disse store detektorer i Maine på grund af politisk rivalisering og bag kulisserne med kongres apparatchiks. Dette lærte forskere, at der er mere interferens end laserstråler.
Overraskende nok godkendte National Science Foundation finansiering til PIOGV i 1992. Det var fundamentets dyreste projekt, som det fortsætter den dag i dag. Tidspunktet var rigtigt: efter Sovjetunionens sammenbrud i slutningen af 1991 indså fysikere øjeblikkeligt, at den kolde krigs begrundelse for videnskabelig forskning i Kongressen ikke længere var gyldig.
Det var omkring dette tidspunkt, at budgettaktik i USA gik ind i en ny fase. Nu, når man planlagde langsigtede projekter, var det nødvendigt at tage højde for de hyppige trusler om suspension af statslige organers aktiviteter (nogle gange blev de udført). Dette komplicerede budgetsituationen, da fokus nu var på kortsigtede projekter, der lovede hurtige resultater. Hvis et projekt som PIOGV blev foreslået i dag, er det svært at forestille sig, at det ville blive godkendt.
PIOGV demonstrerer dog visse fordele ved en langsigtet tilgang. Dette projekt eksemplificerer det tætte forhold mellem videnskab og uddannelse, der går langt ud over lektier. Mange bachelor- og kandidatstuderende fra PIOGV-teamet blev medforfattere af en historisk artikel om de opdagede bølger. Siden 1992 er der skrevet næsten 600 afhandlinger inden for rammerne af dette projekt i De Forenede Stater alene, som blev udarbejdet af forskere fra 100 universiteter og 37 stater. Videnskabelig forskning er gået langt ud over fysik og omfatter nu områder som ingeniørdesign og softwareudvikling.
PIOGV viser, hvad vi kan opnå ved at se ud over horisonten og ikke blive hængt op i årlige budgetter og rapporter. Ved at bygge meget følsomme maskiner og uddanne smarte og dedikerede unge forskere og ingeniører kan vi teste vores grundlæggende forståelse af naturen med hidtil uset præcision. En sådan indsats fører ofte til forbedringer af de teknologier, der bruges i hverdagen: GPS-navigationssystemet blev oprettet som en del af arbejdet for at teste Einsteins generelle relativitetsteori. Det er sandt, at sådanne uventede opdagelser er vanskelige at forudsige. Men med tålmodighed, udholdenhed og held kan vi se ind i universets inderste dybder.
David Kaiser er professor og lektor i fysik og videnskabshistorie ved Massachusetts Institute of Technology. Han samarbejdede med W. Patrick McCray for at redigere Groovy Science: Knowledge, Innovation og American Counterculture.