Wprowadzenie
Jest to specjalna część serii Przeładowanie IQ. Ostatnio poznaliśmy zwyciężców Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki! Nie byli oni uczestnikami 5. Kongresu Solvaya, ale postanowiłem, że muszę - o nich i ich życiu - napisać. W 2017 r. laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki zostali Barry Barish, Rainer Weiss i Kip Thorne. Co sprawiło, że nagroda powędrowała właśnie do nich? Królewska Szwedzka Akademia Nauk udzieliła nam odpowiedzi: nasza trójka wygrała „Za decydujący wkład w detektor LIGO i zaobserwowanie fal grawitacyjnych”.
Zanim przejdziemy do krótkiej biografii tych wielkich naukowców, spróbuję wyjaśnić co to jest detektor LIGO i czym są fale grawitacyjne.
Fale grawitacyjne a LIGO
Symulacja przedstawia moment krótko przed zderzeniem dwóch masywnych czarnych dziur, które przy łączeniu się emitują część energii w postaci fal grawitacyjnych.
źródło symulacji: black-holes.org
Ogólna teoria względności a fale grawitacyjne
Istnienie fal grawitacyjnych zostały przewidziane już przez równania Einsteinowskiej ogólnej teorii względności. Ale czym one są? Okazuje się, że fale grawitacyjne to poruszające się z prędkością światła zmarszczki w czasoprzestrzeni. Rozciągają i kompresują przestrzeń w prostopadłych kierunkach do ich kierunku rozchodzenia się.
Każdy masywny przyspieszający obiekt emituje fale grawitacyjne, ale tylko wtedy, gdy obiekt jest bardzo masywny i porusza się z bardzo wysokim przyspieszeniem, mamy szanse je zaobserwować. Mam na myśli na prawdę masywne obiekty (takie jak czarne dziury) poruszające się z bardzo wysokim przyspieszeniem (jak czarna dziura tuż przed kolizją z inną czarną dziurą). Emitowane wtedy fale grawitacyjne na tyle silnie zakrzywiają czasoprzestrzeń, że efekt łączenia czarnych dziur oddalonych od nas o niewyobrażalną odległość możemy zaobserwować na Ziemi za pomocą odpowiednich detektorów (LIGO).
Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO)
źródło: Wikimedia
LIGO to detektor fal grawitacyjnych, który został zbudowany w 1994 roku w Hanford oraz rok później w Livingston. Dlaczego powstały dwa detektory znacznie oddalone od siebie? Odpowiedź jest prosta - pomaga to wyeliminować wpływ środowiska na pomiary. Kiedy jeden detektor wykryje coś, co wygląda jak fala grawitacyjna, a drugi nie, to oznacza, że to nie była fala grawitacyjna, ale coś innego (może niewykryty ruch sejsmiczny lub ruch uliczny).
Jak działa LIGO?
Detektor LIGO, który swoją budową przypomina literę L, zbudowany jest z dwóch rur o długości 4 km, które łączą się pod kątem prostym. Wewnątrz nich znajduje się rura ze stali nierdzewnej, w której znajduje się prawie całkowita próżnia. Laser i rozdzielacz wiązki znajdują się w miejscu podłączenia rur.
LIGO działa w ten sposób, że mierzy długość dwóch rur za pomocą wiązki laserowej (działając na zasadzie interferometru Michelsona). Fala grawitacyjna zmienia długość rur - w sytuacji idealnej, czyli przechodzenia fali równolegle do jednej z rur - jedna z nich jest kurczona, a druga rozciąga się.
Różnica jest tak mała, że rury muszą być długie, abyśmy mogli badać wpływ fal grawitacyjnych (nawet zdarzenie, które jest największym kataklizmem kosmicznym, jaki możemy sobie wyobrazić, emituje fale grawitacyjne, które zmieniają długość rur o mniej niż jedna tysięczna średnicy protonu!).
14 września 2015 r. był historycznym dniem. Detektor LIGO wykrył wtedy pierwszą falę grawitacyjną. To dlatego nasze genialne trio - Rainer Weiss, Kip Thorne i Barry Barish - zdobyło nagrodę Nobla. To wydarzenie nie tylko potwierdziło ogólną teorię względności Einsteina (po raz kolejny), ale także otworzyło nową erę astronomii - jesteśmy teraz w stanie wykryć duże wydarzenia w przestrzeni za pomocą detektorów fal grawitacyjnych.
źródło: Bryce Vickmark na mit.edu
Rainer Weiss
To on zdobył połowę puli z nagrody Nobla (druga połowa była podzielona dla Thorne'a i Barisha, każdy z nich dostał czwartą część puli). Był on niewątpliwie liderem technicznym w procesie tworzenia detektora fal grawitacyjnych, a później w badaniach. Rainer Weiss wynalazł technikę interferometryczną używającą lasera, która jest używana w LIGO i bez niej nie można wykryć fal grawitacyjnych.
Jego życie w wielkim skrócie
Rainer Weiss urodził się w Berlinie w 1932 roku. Jego ojciec był żydowskiego pochodzenia lekarzem, neurologiem i psychoanalitykiem, więc gdy partia nazistowska zdobyła władzę został on zmuszony do opuszczenia Niemiec (był nie tylko Żydem, ale także aktywnym członkiem Partii Komunistycznej). Przeniósł się więc z rodziną najpierw do Czechosłowacji, a następnie do USA. Tam właśnie Rainer Weiss zdobył wiedzę tak później mu potrzebną. Studiował na MIT, gdzie otrzymał stopień doktora.
Jego przygoda z falami grawitacyjnymi rozpoczęła się w 1967 roku, kiedy prowadził zajęcia z ogólnej teorii względności. Wiedział, że nawet Einstein powiedział, że
Jest ona [fala grawitacyjna] tak mała i słaba, że nigdy nie będzie miała dużego wpływu na przestrzeń, a nikt nie będzie mógł tego zmierzyć.Ale Weiss zdał sobie sprawę, że to, co było prawdziwe w 1916 roku nie musi być prawdziwe dzisiaj, ponieważ postęp technologiczny pomiędzy czasami Einsteina a czasami, w których działał Weiss, był ogromny. Podczas zajęć wielu uczniów zadawało mu pytania dotyczące eksperymentu Josepha Webera, za pomocą którego chciał on wykryć fale grawitacyjne. Rainer Weiss nie mógł tego wyjaśnić studentom, ponieważ - jak mówił - kompletnie nie rozumiał, co robił Weber. Więc zapytał samego siebie
Jaka jest najprostsza rzecz [doświadczenie], dzięki której mogę wytłumaczyć studentom, że można wykryć wpływ fali grawitacyjnych?
źródło: news.mit.edu
I tak powstał pomysł na detektor LIGO. Więc zajęło to sporo czasu - od pomysłu do pierwszej detekcji fal grawitacyjnych. Warto więć ciężko pracować przez długi czas!
źródło: Wikimedia
Kip Thorne
To on zapewniał teoretyczne wsparcie dla projektu LIGO i zajmował się przewidywaniem siły fal grawitacyjnych przechodzących przez detektory. Jest on liderem zespołu zajmującego się fizyką teoretyczną przy detektorze LIGO. Kip Thorne jest również bardzo użyteczny w analizie danych pochodzących z obserwacji LIGO.
Jego życie w wielkim skrócie
Kip Thorne urodził się w Logan 1 czerwca 1940 roku. W 1965 roku uzyskał tytuł doktora na Uniwersytecie w Princeton, a wkrótce po tym został jednym z najmłodszych profesorów w historii Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego (Caltech). Kip Thorne jest znany również dzięki swojej znaczącej roli w przygotowaniu filmu "Interstellar" pod kątem naukowym.
Wielu z moich najlepszych kolegów to bardzo pobożni, wierzący w Boga ludzie [...] Nie ma fundamentalnej niezgodności między nauką a religią, ale zdarza mi się nie wierzyć w Boga.
źródło: Wikipedia
image credits: Wikimedia
Barry Barish
Sama praca naukowa nie wystarczy do uruchomienia dobrze prosperującego projektu naukowego - dlatego Barry Barish, jako świetny fizyk eksperymentalny wygrał nagrodę Nobla. To on wiedział, co powinien robić dyrektor LIGO - jak powinien zdobywać fundusze i zbudować to, co było zamierzone.
Jego życie w wielkim skrócie
Barry Barish urodził się w Omaha 27 stycznia 1936 roku. Jego rodzice byli żydowskimi imigrantami z Polski. Otrzymał doktorat w 1962 roku z eksperymentalnej fizyki wysokich energii na Uniwersytecie w Kalifornii. Jego pierwsze eksperymenty zostały przeprowadzone w Fermilab. Był także dyrektorem w MACRO (Monopole, Astrophysics and Cosmic Ray Observatory), gdzie zdobył doświadczenie, aby następnie prowadzić projekt LIGO. Bez niego z pewnością nie mielibyśmy jeszcze zaobserwowanych fal grawitacyjnych, ponieważ budowa detektora LIGO byłaby znacznie opóźniona (o ile by do niej doszło).
źródło: Wikimedia
Podsumowanie
W tym artykule opisałem fale grawitacyjne, działanie detektora LIGO i tegorocznych laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, niesamowite trio, które po raz pierwszy "usłyszało" fale grawitacyjne: Rainer Weiss, Kip Thorne i Barry Barish.
Więcej informacji:
- o falach grawitacyjnych: Wikipedia
- o LIGO: Wikipedia, black-holes.org and news.mit.edu
- o Rainerze Weiss: Wikipedia
- o Kipie Thorne: Wikipedia
- o Barrym Barishu: Wikipedia
0. Przeładowanie IQ: historia jednego zdjęcia
1. Przeładowanie IQ: Maria Skłodowska-Curie
2. Przeładowanie IQ: Niels Bohr
3. Przeładowanie IQ: Albert Einstein
4. Przeładowanie IQ: Werner Heisenberg
5. Przeładowanie IQ: Erwin Schrödinger
6. Przeładowanie IQ: Max Planck
#2017. Przeładowanie IQ: Barry Barish, Rainer Weiss i Kip Thorne