Pred milijardo let (no, daj ali vzemi) v galaksiji daleč, daleč stran, sta dve črni luknji izvedli vesoljni balet pas de deux. Krožili so med seboj in se postopoma bližali pod vplivom vzajemne gravitacije, dokler niso trčili in se združili. Kot rezultat takšnega trka je prišlo do ogromnega sproščanja energije, kar ustreza trikratni masi našega sonca. Konvergenca, trk in združitev dveh črnih lukenj je vrgel okoliški vesoljsko-časovni kontinuum v nered in poslal močne gravitacijske valove v vse smeri s svetlobno hitrostjo.
Ko so ti valovi dosegli našo Zemljo (in to je bilo zjutraj 14. septembra 2015), se je nekoč močan ropot kozmičnih razsežnosti spremenil v nežno cviljenje. Kljub temu sta dva več kilometra dolga stroja (detektorja Laser Interferometric Observatory of Gravitational Waves PIOGV), ki se nahajata v zveznih državah Louisiana in Washington, zabeležila lahko prepoznavne sledi teh valov. V torek so trije dolgoletni voditelji projektov PIOGV - Rainer Weiss, Barry Barish in Kip Thorne - prejeli Nobelovo nagrado za fiziko za ta dosežek.
To odkritje se že dolgo pripravlja tako na človeški časovni lestvici kot na astronomski uri. Dr. Weiss, dr. Thorn in dr. Barish s sodelavci že nekaj desetletij delajo na svojem projektu. Pri odkritju leta 2015 je sodelovalo na tisoče ljudi, ki delajo na petih celinah. Ta projekt je bil primer strateške vizije prihodnosti znanstvenikov in politikov, ki je skoraj tako oddaljena od nas kot te trčne črne luknje.
Konec šestdesetih let je dr. Weiss predaval višji tečaj fizike na Massachusetts Institute of Technology. Nekaj let prej je fizik Joseph Weber sporočil, da je gravitacijske valove zaznal z instrumentom z aluminijastimi cilindričnimi antenami. Vendar Weberju ni uspelo prepričati dvomljivcev. Dr. Weiss je dal študentom domačo nalogo, da najdejo drug način za zaznavanje valov. (Študenti, upoštevajte: včasih je domača naloga znanilec Nobelove nagrade.) Kaj pa, če poskusite zaznati gravitacijske valove s skrbnim preučevanjem najmanjših sprememb v interferenci laserskih žarkov, ki potujejo po različnih poteh, in nato znova priključite detektor?
V teoriji bi se morali gravitacijski valovi raztezati in krčiti v vesolju, premikati se skozi njega. Dr. Weiss je domneval, da bo takšna motnja spremenila dolžino poti enega od laserskih žarkov, zaradi česar bosta žarka do trenutka, ko prideta do detektorja, nesinhronizirana, na podlagi razlike v desinhronizaciji pa bo mogoče določiti vzorce motenj.
Ideja je bila drzna in revolucionarna. In to milo rečeno. Za zajem gravitacijskih valov pričakovane amplitude z interferenčno tehniko so morali fiziki zaznati razliko v razdalji, ki je bila ena na tisoč milijard milijard. To je kot merjenje razdalje med Zemljo in Soncem na lestvici enega samega atoma, hkrati pa spremljamo vse druge vire vibracij in napak, ki lahko zatrejo tako šibek signal.
Ni presenetljivo, da je dr. Thorne, ki je letos postal eden od Nobelovih nagrajencev, v svojem učbeniku iz leta 1973 problem postavil kot domačo nalogo. Študentje je pripeljal do zaključka, da interferometrija kot metoda za zaznavanje gravitacijskih valov ni dobra. (V redu, gospodje, študentje, včasih vam ni treba delati domačih nalog.) Toda z globljim proučevanjem tega problema je dr. Thorne postal eden najmočnejših zagovornikov interferometrične metode.
Prepričati dr. Thorneja je bilo lažje kot pridobivanje sredstev in vključevanje študentov. Nacionalna znanstvena fundacija je leta 1972 zavrnila prvi predlog dr. Weissa. Leta 1974 je podal nov predlog in prejel nekaj sredstev za študij oblikovanja. Leta 1978 je dr. Weiss v svoji prošnji za financiranje zapisal: "Postopoma sem prišel do spoznanja, da je tovrstne raziskave najbolje izvesti brez dvoma in verjetno neumnih znanstvenikov, pa tudi mladih podiplomskih študentov z avanturističnimi nagnjenji."
Promocijski video:
Obseg projekta se je postopoma širil. Ogromni kraki interferometra so se morali zdaj raztezati več kilometrov, ne metrov, in biti opremljeni z najsodobnejšo optiko in elektroniko. Hkrati sta rasla proračun in raziskovalna skupina. Izvedba tega zapletenega projekta je zdaj zahtevala ne le poglobljeno znanje fizike, temveč tudi politične spretnosti. Na neki točki poskusi izdelave enega od teh velikih detektorjev v Mainu niso uspeli zaradi političnega rivalstva in zakulisnih poslov kongresnih aparatčikov. To je naučilo znanstvenike, da je motenj več kot laserskih žarkov.
Presenetljivo je, da je Nacionalna znanstvena fundacija leta 1992 odobrila financiranje PIOGV. To je bil najdražji projekt fundacije, kot je ostal do danes. Čas je bil pravi: po razpadu Sovjetske zveze konec leta 1991 so fiziki takoj ugotovili, da argumenti hladne vojne v korist znanstvenih raziskav v Kongresu niso več veljavni.
Takrat proračunska taktika v ZDA je vstopila v novo fazo. Zdaj je bilo treba pri načrtovanju dolgoročnih projektov upoštevati pogoste grožnje ustavitve dejavnosti državnih organov (včasih so se izvajale). To je zapletlo proračunsko situacijo, saj so se zdaj osredotočali na kratkoročne projekte, ki so obljubljali hitre rezultate. Če bi danes predlagali projekt, kot je PIOGV, si težko predstavljamo, da bi dobil odobritev.
Vendar pa PIOGV kaže nekatere prednosti dolgoročnega pristopa. Ta projekt ponazarja tesen odnos med znanostjo in izobraževanjem, ki presega domače naloge. Veliko študentov in podiplomskih študentov iz ekipe PIOGV je postalo soavtor zgodovinskega članka o odkritih valovih. Od leta 1992 je bilo v okviru tega projekta samo v ZDA napisanih skoraj 600 disertacij, ki so jih pripravili znanstveniki s 100 univerz in 37 zveznih držav. Znanstvene raziskave so daleč presegle fiziko in zdaj zajemajo področja, kot sta inženirsko načrtovanje in razvoj programske opreme.
PIOGV prikazuje, kaj lahko dosežemo, če pogledamo čez obzorje in se ne zapletemo v letne proračune in poročila. Z izdelavo visoko občutljivih strojev, izobraževanjem pametnih in predanih mladih znanstvenikov in inženirjev lahko z izjemno natančnostjo preizkusimo svoje temeljno razumevanje narave. Takšna prizadevanja pogosto vodijo do izboljšav tehnologij, ki se uporabljajo v vsakdanjem življenju: navigacijski sistem GPS je bil ustvarjen kot del dela za preizkušanje Einsteinove splošne teorije relativnosti. Res je, takšna nepričakovana odkritja je težko napovedati. Toda s potrpljenjem, vztrajnostjo in veliko sreče lahko pogledamo v najbolj globoke globine vesolja.
David Kaiser je profesor in predavatelj fizike in zgodovine znanosti na Massachusetts Institute of Technology. Sodeloval je z W. Patrickom McCrayem pri urejanju Groovy Science: Knowledge, Innovation in American Counterculture.