Una ricerca di 40 anni per dimostrare che Einstein aveva ragione

Il 14 settembre 2015, Rainer Weiss '55, PhD '62, ha iniziato il primo giorno della sua vacanza nel Maine facendo quello che fa ogni mattina dopo colazione, ovunque si trovi: ha controllato i log degli esperimenti per l'Interferometro Laser Gravitational-Wave Osservatorio (LIGO). L'annuncio che le riparazioni settimanali programmate per il giorno successivo erano state annullate ha colpito Weiss, un professore emerito di fisica, come strano. Qualche istante dopo, una raffica di e-mail lo ha indirizzato a un sito Web con immagini che lo hanno lasciato sbalordito: LIGO, lo strumento che aveva concepito quattro decenni prima, aveva registrato un segnale in uno dei suoi primi test dopo un importante aggiornamento. Lanciò un urlo che fece correre sua moglie e suo figlio. Poi è iniziata l'incredulità, dice. Il segnale era troppo grande e troppo perfetto. Ci sono voluti diversi giorni prima che iniziassi veramente a credere che fosse un evento reale.

Dopo mesi di analisi e ricontrollo dei dati, un team internazionale di ricercatori guidato da scienziati del MIT e del Caltech ha annunciato a febbraio che il segnale proveniva da due enormi buchi neri che si erano scontrati 1,3 miliardi di anni fa. Quella collisione aveva rilasciato un'esplosione di energia stimata fino a 100 volte quella di tutte le stelle dell'universo, producendo un'increspatura nello spazio-tempo registrata da LIGO. Fu il primo rilevamento diretto delle onde gravitazionali che Einstein predisse un secolo fa.

Da dove inizia la storia di LIGO?
È iniziato qui nel 1967. Il preside del corso di insegnamento di fisica mi ha chiesto di tenere un corso sulla relatività generale. Quando arrivò il 1967, la relatività generale era stata relegata ai dipartimenti di matematica. Era una teoria della gravità, ma era principalmente matematica e nella mente della maggior parte delle persone non aveva alcuna relazione con la fisica. E ciò era principalmente dovuto al fatto che gli esperimenti per dimostrarlo erano così difficili da fare: tutti questi effetti che la teoria di Einstein aveva previsto erano infinitamente piccoli.

Einstein aveva esaminato i numeri e le dimensioni che erano contenuti nelle sue equazioni per le onde gravitazionali e aveva detto, in sostanza, Questo è così piccolo che non avrà mai alcuna influenza su nulla e nessuno può misurarlo. E quando si pensa ai tempi e alla tecnologia nel 1916, probabilmente aveva ragione.

La cosa più importante che è accaduta negli ultimi 100 anni è che le persone hanno scoperto cose in astronomia che erano molto diverse da quelle che conoscevano nel 1916: sorgenti strettamente compatte [di onde gravitazionali], enormemente dense, come una stella di neutroni, e buchi neri. E c'era la tecnologia per eseguire misurazioni di precisione, perché c'erano laser, maser, elettronica, computer e un sacco di cose che le persone non avevano nel 1916.

Quindi la tecnologia e la conoscenza dell'universo hanno reso possibile, quando siamo entrati in questo, di contemplare il tentativo di cercare le onde gravitazionali.

Negli anni '60, Joseph Weber dell'Università del Maryland ebbe l'idea che forse la tecnologia fosse arrivata al punto in cui si potevano cercare le onde gravitazionali e inventò un metodo per farlo. Immaginò una specie di xilofono fatto di massicce barre risonanti. Si aspettava che un'onda gravitazionale sarebbe arrivata e avrebbe tirato su una delle sbarre e l'avrebbe schiacciata, e quando l'onda se ne sarebbe andata, avrebbe lasciato un impulso, e la cosa avrebbe squillato e l'avresti potuto sentire.

È stata la prima idea che dovresti fare qualcosa di attivo per cercare le onde gravitazionali. E aveva rivendicato una scoperta negli anni '60.

Quando ho tenuto il mio corso, gli studenti erano molto interessati a scoprire cosa fosse [l'esperimento di Weber]. E sarò onesto con te, non potrei per la vita di me capire cosa stava facendo. Questo era il problema. Perché contrastava completamente ogni intuizione che avevo sviluppato sulla relatività generale. Non potevo spiegarlo agli studenti.

Questo era il mio dilemma in quel momento, ed è allora che è stata realizzata l'invenzione. Ho detto, qual è la cosa più semplice che mi viene in mente per mostrare a questi studenti che potresti rilevare l'influenza di un'onda gravitazionale?

La cosa ovvia per me era, prendiamo masse fluttuanti liberamente nello spazio e misuriamo il tempo impiegato dalla luce per viaggiare tra di loro. La presenza di un'onda gravitazionale cambierebbe quel tempo. Usando la differenza di tempo, si potrebbe misurare l'ampiezza dell'onda. Le equazioni per questo processo sono semplici da scrivere e la maggior parte degli studenti della classe potrebbe farlo. Dimentica per un momento che si trattava di un esperimento mentale che richiedeva orologi incredibilmente precisi. Il principio andava bene.

Simulazione della collisione di buchi neri che hanno prodotto le onde gravitazionali rilevate da LIGO il 1 settembre 2015.

Non ci ho pensato molto di più fino a circa un anno dopo, quando ho iniziato a realizzare qualcosa sugli esperimenti di Weber: nessuno stava ottenendo la risposta che stava ottenendo. Aveva fatto un'affermazione enorme e potente. E ho iniziato a capire che forse era sbagliato, e forse anche la sua idea di come funziona era sbagliata.

Così mi sono seduto in una stanzetta nell'edificio 20, il Plywood Palace in Vassar Street, e ho lavorato per tutta l'estate sull'idea di cui avevo parlato con i miei studenti. E sapendo cosa si poteva fare con i laser, ho capito: si potrebbero effettivamente rilevare le onde gravitazionali in questo modo? E sono giunto alla conclusione che sì, potresti rilevare le onde gravitazionali, con una forza molto migliore di quella che Weber stava cercando.

Cosa ci è voluto per portare questa idea in forma fisica?
Stavamo costruendo un prototipo di 1,5 metri in RLE [il Laboratorio di ricerca dell'elettronica] utilizzando finanziamenti [militari] e andavamo abbastanza bene. Improvvisamente i finanziamenti sono spariti, a causa dell'emendamento Mansfield, che era una reazione alla guerra del Vietnam. Nella mente degli amministratori locali della RLE, la ricerca sulla gravitazione e la cosmologia non era nell'interesse dei militari e il supporto è stato dato alla fisica dello stato solido, che è stata ritenuta più rilevante. Per la prima volta, ho dovuto scrivere proposte ad altri governi e agenzie private per continuare la nostra ricerca.

Nessuno stava ancora lavorando seriamente sull'interferometria delle onde gravitazionali, anche se, come ho appreso in seguito, ci avevano pensato anche altri. Un gruppo tedesco del Max Planck Institute di Garching aveva appena finito di costruire un bar Weber. Avevano lavorato con gli italiani e avevano scoperto che Weber si sbagliava. Probabilmente avevano fatto il miglior esperimento di chiunque altro per dimostrarlo. Era la metà degli anni '70.

Gli è stato chiesto di rivedere la mia proposta alla National Science Foundation, proprio mentre stavano pensando alla prossima cosa su cui lavorare. Avevano pensato, come molti altri gruppi nel mondo all'epoca, di rendere le barre Weber ancora migliori raffreddandole fino a sfiorare lo zero assoluto. Invece hanno deciso di provare l'idea dell'interferometro. Mi hanno chiamato per chiedere se c'erano studenti che erano stati formati sul prototipo da 1,5 metri in modo da poter offrire loro un lavoro. (Esattamente nel momento in cui hanno chiamato non ce n'erano; poco dopo David Shoemaker, che aveva lavorato al prototipo del MIT, si è unito al gruppo di Garching.) Hanno quindi costruito un prototipo di tre metri, l'hanno fatto funzionare e hanno fatto un ottimo lavoro .

Poi ne hanno costruito uno di 30 metri. Qualche tempo dopo un gruppo a Glasgow, in Scozia, diretto da Ronald Drever, che aveva anche costruito un bar Weber, iniziò a lavorare su rilevatori interferometrici.

Quando ho ricevuto i finanziamenti dalla NSF e ho ricominciato, il gruppo tedesco aveva davvero risolto la maggior parte dei problemi tecnici con l'idea e ha dimostrato che tutti i calcoli che avevo fatto erano giusti sui soldi, che funzionava esattamente come calcolato. Hanno anche aggiunto alcune loro idee che lo hanno reso migliore.

Al rivelatore LIGO di Livingston, in Louisiana, ci sono voluti 40 giorni per estrarre l'aria di oltre due milioni di palloni da due camere a vuoto lunghe quattro chilometri, ottenendo un trilionesimo della pressione dell'aria al livello del mare.

Un passo fondamentale è stato nel 1975. Poiché stavo anche facendo studi sulla radiazione cosmica di fondo supportato dalla NASA, la NASA mi ha chiesto di dirigere un comitato sugli usi della ricerca spaziale nel campo della cosmologia e della relatività. Quello che è venuto fuori da quel comitato, per me, è stato che ho incontrato [il fisico del Caltech] Kip Thorne, a cui avevo chiesto di essere un testimone per il comitato.

Sono andato a prendere Kip all'aeroporto in una calda notte d'estate quando Washington, DC, era piena di turisti. Non aveva una prenotazione in hotel, quindi abbiamo condiviso una stanza per la notte. Abbiamo finito per passare l'intera notte a parlare di quali potrebbero essere esperimenti interessanti da fare per Caltech. Kip aveva sviluppato uno dei migliori gruppi teorici sulla gravitazione al Caltech e stava pensando di portarvi un gruppo sperimentale di gravitazione. Abbiamo esposto su un grande pezzo di carta tutti i diversi esperimenti su cui si potrebbe costruire un nuovo gruppo. Gli ho detto di questa cosa su cui stavamo lavorando. Non ne aveva mai sentito parlare e si interessò molto. Ne è venuto fuori che Kip ed io alla fine abbiamo deciso che Caltech e MIT avrebbero fatto questo [progetto che è diventato LIGO] insieme.

Quali sono stati alcuni momenti chiave che hanno portato avanti il ​​progetto?
Alla fine degli anni '70, il gruppo del MIT, che ora include Peter Saulson e Paul Linsay, ha condotto uno studio con l'industria per determinare la fattibilità della costruzione di un grande interferometro a onde gravitazionali su scala chilometrica. Lo studio ha esaminato come realizzare grandi sistemi per vuoto e considerato come determinare i costi per l'ampliamento dei prototipi, i possibili siti in cui si potrebbero costruire strutture a forma di L da cinque a 10 chilometri con movimento terra minimo e la disponibilità di ottiche e sorgenti luminose. Abbiamo esaminato le possibili sorgenti di onde gravitazionali e diversi concetti di interferometro concorrenti che erano stati prototipati in diversi laboratori nel mondo. Le informazioni sono state inserite in un rapporto, chiamato Blue Book, e presentato all'NSF nel 1983. Scienziati del Caltech e del MIT hanno presentato insieme le idee sviluppate nel Blue Book, nonché i risultati della ricerca sul prototipo.

La proposta che abbiamo presentato era di realizzare un sistema di rivelazione sufficientemente sensibile da rilevare effettivamente le onde gravitazionali da una sorgente astrofisica (non solo un nuovo prototipo). La proposta era di costruire due rivelatori. Non potresti fare scienza con uno; dovevi avere due rivelatori separati, ugualmente sensibili e abbastanza lunghi.

Il gruppo MIT LIGO nel 2016. In prima fila da sinistra a destra: Haocun Yu, Ken Mason, Nergis Mavalvala, Maggie Tse, Rainer Weiss, Peter Fritschel, David Shoemaker, Hang Yu. Fila posteriore da sinistra a destra: Lisa Barsotti, Marie Woods, Mike Zucker, Matthew Evans, John Miller, Bobby Lanza, Adam Libson, Myron MacInnis, Fabrice Matichard, Reed Essick, Erik Katsavounidis, Ryan Lynch, Salvatore Vitale.

Quella fu una vera lotta in seguito. Volevi mantenere quelle idee e le persone in seguito hanno voluto raderle: perché non costruirne una lunga? Perché costruirlo così a lungo? Tutte queste argomentazioni sono state fatte, ma abbiamo tenuto duro. Dovevamo, altrimenti non saremmo mai sopravvissuti e non saremmo qui oggi. Abbiamo ricevuto l'approvazione dal comitato: ricerca rischiosa con possibilità di un esito profondo, che vale la pena considerare come un nuovo progetto del NSF.

Verso la metà degli anni '80, la NSF continuava a cercare di capire come iniziare. Poi, nel 1986, accadde una cosa interessante che alla fine ruppe l'ingorgo. Richard Garwin, che aveva lavorato con Enrico Fermi [premio Nobel per la fisica nel 1938] e con il Dipartimento di Energia, e che aveva fatto tutti i calcoli e lo sviluppo vero e proprio della prima bomba all'idrogeno, era diventato capo scienziato dell'IBM. Aveva letto degli esperimenti di Weber e aveva deciso con un altro associato IBM di costruirne uno piccolo, molto più intelligente di quello che aveva costruito Weber, e non vide nulla.

La NSF stava cercando di vendere questo nuovo enorme programma per le onde gravitazionali. Garwin ne viene a conoscenza e pensava di aver ucciso questo drago. Ha scritto una lettera alla NSF dicendo: Se hai intenzione di insistere con questo, faresti meglio a fare un vero studio.

Così abbiamo condotto uno studio presso l'American Academy of Arts and Sciences in Beacon Street a Cambridge. È stato un incontro di una settimana con un eccellente comitato di scienziati dal muso duro che ha esaminato la ricerca che avevamo svolto con i prototipi, gli studi di fattibilità per realizzare un sistema di grandi dimensioni, i piani per l'ubicazione del sistema e le stime dei costi. La raccomandazione fatta dal comitato è stata incredibilmente buona: vale assolutamente la pena fare il progetto, non dividerlo in un rivelatore alla volta, farlo a figura intera, niente più prototipi. Ha anche raccomandato un cambiamento nella gestione del progetto per avere un unico direttore piuttosto che un gruppo direttivo, che era il modo in cui avevamo gestito il progetto fino ad allora.

Nel 1989, abbiamo scritto un'altra proposta sotto la direzione di Rochus Vogt [un ex prevosto del Caltech], che ci ha messo quasi sei mesi per scrivere: è stato un capolavoro. La proposta era di costruire due siti con interferometri lunghi quattro chilometri. Gli interferometri dovevano essere messi in scena. Il primo rivelatore si basava sulla ricerca, ora ragionevolmente matura, dei prototipi con una sensibilità che offriva una possibilità plausibile di rilevamento. Il secondo rivelatore era basato su concetti più recenti e avanzati che non erano stati ancora completamente testati ma che offrivano la capacità di una buona possibilità di rilevamento. La proposta è passata attraverso il National Science Board ed è stata accettata e il denaro ha iniziato ad arrivare in quantità significative.

Negli anni '90, il resto della storia è più facile. Ora, sotto la direzione di Barry Barish [un professore di fisica del Caltech], i siti sono stati costruiti e sviluppati, sono stati realizzati i sistemi del vuoto e abbiamo iniziato a far funzionare i primi rivelatori. Nel 2010 li avevamo eseguiti e apportato enormi miglioramenti alla loro sensibilità, ma non avevamo visto nulla. Era un niente pulito; i rivelatori avevano funzionato in base al progetto e non abbiamo visto anomalie che potessero essere interpretate come onde gravitazionali. Sulla base del fatto che [avevamo raggiunto la sensibilità progettuale desiderata] e avevamo svolto la scienza per determinare alcuni limiti superiori interessanti su possibili fonti, abbiamo ricevuto finanziamenti per costruire Advanced LIGO.

Lo scienziato LIGO e professore del MIT Nergis Mavalvala abbraccia Rebecca Weiss all'evento del MIT che annuncia la scoperta delle onde gravitazionali. Il presidente del MIT L. Rafael Reif aveva appena guidato quelli riuniti nella Bush Room ad applaudire Weiss, dicendo ... senza dubbio questo è stato anche il lavoro della tua vita.

Quanto è importante per te questa scoperta?
Per quanto riguarda l'aver soddisfatto le ambizioni di molti di noi che hanno lavorato su questo, è importante. È il segnale che tutti noi abbiamo voluto vedere, perché lo sapevamo, non ne avevamo mai avuto una vera prova, ed è il limite delle equazioni di Einstein mai osservate prima: la dinamica della geometria dello spazio-tempo nel forte campo [gravitazionale] e limite di alta velocità.

Per me è la chiusura di qualcosa che ha avuto una storia molto complicata. Le equazioni di campo e l'intera storia della relatività generale sono state complicate. Qui all'improvviso abbiamo qualcosa su cui possiamo aggrapparci e dire, Einstein aveva ragione. Che meravigliosa intuizione e intuizione aveva.

Provo un enorme senso di sollievo e una certa gioia, ma soprattutto sollievo. C'è una scimmia che è stata seduta sulla mia spalla per 40 anni, e mi ha chiacchierato nell'orecchio dicendo: Ehhh, come fai a sapere che funzionerà davvero? Hai coinvolto un sacco di persone. Supponiamo che non funzioni mai, giusto? E all'improvviso, è saltato giù. È un enorme sollievo.

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