Een miljard jaar geleden (nou ja, geef of neem) in een sterrenstelsel ver, ver weg, voerden twee zwarte gaten een kosmisch ballet pas de deux uit. Ze cirkelden om elkaar heen en kwamen geleidelijk dichterbij onder invloed van de onderlinge zwaartekracht, totdat ze botsten en samensmolten. Als gevolg van een dergelijke botsing vond er een enorme hoeveelheid energie vrij, gelijk aan drie keer de massa van onze zon. De samenkomst, botsing en samensmelting van twee zwarte gaten bracht het omringende ruimte-tijd continuüm in verwarring en stuurde krachtige zwaartekrachtgolven in alle richtingen met de snelheid van het licht.
Tegen de tijd dat deze golven onze aarde bereikten (en het was op de ochtend van 14 september 2015), veranderde het eens zo krachtige gebrul van kosmische proporties in een nauwelijks hoorbaar gejank. Desalniettemin registreerden twee enorme machines van enkele kilometers lang (detectoren van het Laser Interferometric Observatory of Gravitational Waves PIOGV), gelegen in de staten Louisiana en Washington, gemakkelijk herkenbare sporen van deze golven. Dinsdag ontvingen drie langdurige PIOGV-projectleiders - Rainer Weiss, Barry Barish en Kip Thorne - de Nobelprijs voor de natuurkunde voor deze prestatie.
Deze ontdekking broeit al heel lang, zowel op de menselijke tijdschaal als op de astronomische klok. Dr. Weiss, Dr. Thorn en Dr. Barish en collega's hebben tientallen jaren aan hun project gewerkt. Bij de ontdekking van 2015 waren duizenden mensen betrokken op vijf continenten. Dit project is een voorbeeld van een strategische toekomstvisie van wetenschappers en beleidsmakers, die bijna net zo ver van ons verwijderd is als deze botsende zwarte gaten.
Eind jaren zestig gaf Dr. Weiss een senior natuurkundecursus aan het Massachusetts Institute of Technology. Een paar jaar eerder had natuurkundige Joseph Weber aangekondigd dat hij zwaartekrachtgolven had gedetecteerd met behulp van een instrument met aluminium cilinderantennes. Weber slaagde er echter niet in om sceptici te overtuigen. Dr. Weiss gaf zijn studenten een huiswerkopdracht om een andere manier te vinden om golven te detecteren. (Leerlingen, let op: soms is huiswerk een voorbode van een Nobelprijs.) Maar wat als je zwaartekrachtgolven probeert te detecteren door zorgvuldig de kleinste veranderingen in de interferentie van laserstralen die langs verschillende paden reizen te bestuderen en vervolgens opnieuw verbinding te maken met de detector?
In theorie zouden zwaartekrachtgolven zich in de ruimte moeten uitrekken en samentrekken en erdoorheen moeten bewegen. Dr. Weiss ging ervan uit dat een dergelijke storing de padlengte van een van de laserstralen zou veranderen, waardoor de twee bundels niet synchroon zullen zijn tegen de tijd dat ze de detector bereiken, en uit het verschil in desynchronisatie zal het mogelijk zijn om de interferentiepatronen te bepalen.
Het idee was gedurfd en revolutionair. En dat is zacht uitgedrukt. Om zwaartekrachtgolven met verwachte amplitude vast te leggen met behulp van de interferentietechniek, moesten natuurkundigen een verschil in afstand detecteren dat een deel was van een duizend miljard miljard. Het is alsof je de afstand tussen de aarde en de zon meet op de schaal van een enkel atoom, terwijl je alle andere bronnen van trillingen en fouten in de gaten houdt die zo'n zwak signaal kunnen onderdrukken.
Het is niet verwonderlijk dat dr. Thorne, die dit jaar een van de Nobelprijswinnaars werd, het probleem als huiswerkopdracht in zijn leerboek uit 1973 stelde. Hij leidde de studenten tot de conclusie dat interferometrie als methode om zwaartekrachtgolven te detecteren helemaal niet goed is. (Oké, heren, studenten, soms hoeft u uw huiswerk niet te maken.) Maar met een diepere studie van dit probleem werd dr. Thorne een van de sterkste voorstanders van de interferometrische methode.
Dr. Thorn overtuigen was gemakkelijker dan geld binnenhalen en studenten naar het werk lokken. De National Science Foundation verwierp in 1972 het eerste voorstel van Dr. Weiss. In 1974 deed hij een nieuw voorstel en kreeg hij financiering voor de ontwerpstudie. In 1978 merkte Dr. Weiss in zijn aanvraag voor financiering op: "Geleidelijk kwam ik tot het besef dat dit soort onderzoek het beste kan worden uitgevoerd door onvoorwaardelijke en mogelijk domme wetenschappers, evenals door jonge afgestudeerde studenten met avontuurlijke neigingen."
Promotie video:
De omvang van het project werd geleidelijk uitgebreid. De enorme armen van de interferometer moesten nu kilometers ver uitschuiven, geen meters, en worden uitgerust met de modernste optica en elektronica. Tegelijkertijd groeide het budget en het onderzoeksteam. De implementatie van dit complexe project vereiste nu niet alleen een grondige kennis van de fysica, maar ook politieke vaardigheid. Op een gegeven moment mislukten pogingen om een van deze grote detectoren in Maine te bouwen vanwege politieke rivaliteit en deals achter de schermen van congres-apparatchiks. Dit leerde wetenschappers dat er meer interferentie is dan laserstralen.
Verrassend genoeg keurde de National Science Foundation in 1992 de financiering van PIOGV goed. Het was het duurste project van de stichting, zo blijft het tot op de dag van vandaag. De timing was goed: na de ineenstorting van de Sovjet-Unie eind 1991 realiseerden natuurkundigen zich onmiddellijk dat de argumenten van de Koude Oorlog ten gunste van wetenschappelijk onderzoek in het Congres niet langer geldig waren.
Het was rond deze tijd dat de budgettactiek in de Verenigde Staten een nieuwe fase inging. Nu moest bij het plannen van langetermijnprojecten rekening worden gehouden met de frequente dreigingen van opschorting van de activiteiten van overheidsinstanties (soms werden ze uitgevoerd). Dit bemoeilijkte de budgettering, aangezien de focus nu lag op kortetermijnprojecten die snelle resultaten beloofden. Als vandaag een project als PIOGV zou worden voorgesteld, is het moeilijk voor te stellen dat het goedkeuring zou krijgen.
PIOGV toont echter bepaalde voordelen van een langetermijnaanpak aan. Dit project illustreert de nauwe relatie tussen wetenschap en onderwijs die veel verder gaat dan huiswerk. Veel studenten en postdoctorale studenten van het PIOGV-team werden co-auteurs van een historisch artikel over de gedetecteerde golven. Sinds 1992 zijn er in het kader van dit project alleen al in de Verenigde Staten bijna 600 proefschriften geschreven, die zijn opgesteld door wetenschappers van 100 universiteiten en 37 staten. Wetenschappelijk onderzoek gaat veel verder dan natuurkunde en omvat nu gebieden als technisch ontwerp en softwareontwikkeling.
PIOGV laat zien wat we kunnen bereiken door verder te kijken dan de horizon en niet vast te zitten aan jaarlijkse budgetten en rapportages. Door zeer gevoelige machines te bouwen en slimme en toegewijde jonge wetenschappers en ingenieurs op te leiden, kunnen we ons fundamentele begrip van de natuur met ongekende precisie testen. Dergelijke inspanningen leiden vaak tot verbeteringen in de technologieën die in het dagelijks leven worden gebruikt: het gps-navigatiesysteem is gemaakt als onderdeel van het werk om Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen. Het is waar dat dergelijke onverwachte ontdekkingen moeilijk te voorspellen zijn. Maar met geduld, doorzettingsvermogen en geluk kunnen we in de diepste diepten van het universum kijken.
David Kaiser is hoogleraar en docent natuurkunde en wetenschapsgeschiedenis aan het Massachusetts Institute of Technology. Samen met W. Patrick McCray heeft hij Groovy Science: Knowledge, Innovation, and the American Counterculture bewerkt.
