ถนนยาวในการตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วง

ข่าวจาก Advanced LIGO หมายความว่าทฤษฎีของ Einstein สามารถพาเราย้อนกลับไปได้ไกลกว่าที่เขาคิด อีเมลฉบับเดือนมกราคมจาก Peter Saulson นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Syracuse ทำให้ฉันตื่นตัว ไม่น่าจะเป็นเช่นนั้น เนื่องจากฉันรอข่าวนี้มา 16 ปีแล้ว นับตั้งแต่ที่ฉันเขียนเพลง Unfinished Symphony ของไอน์สไตน์ หนังสือเล่มนี้กล่าวถึงการเริ่มต้นที่ล้ำสมัยที่สุดของชุมชนดาราศาสตร์ฟิสิกส์ นั่นคือ ดาราศาสตร์คลื่นแรงโน้มถ่วง

ข้อความของซอลสันหมายความว่าซิมโฟนีของไอน์สไตน์ไม่ 

“ยังไม่เสร็จ” อีกต่อไป คลื่นความโน้มถ่วง (คลื่นแรงโน้มถ่วงในสำนวนทั่วไป) การทำนายทางประวัติศาสตร์ที่เกิดขึ้นจากสมการสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ไม่เคยถูกตรวจพบโดยตรง แต่ตอนนี้ ต้องขอบคุณหลุมดำสองหลุมที่ชนกันงานที่ยังไม่เสร็จนั้นก็สำเร็จลุล่วง ไปในที่สุด หลังจากผ่านไปหลายทศวรรษด้วยเลือด หยาดเหงื่อ และความคับข้องใจที่ประเมินค่าไม่ได้ ใช้เวลานานกว่าที่เครื่องตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงจะทำงาน ยิ่งไปกว่านั้น การประกาศการค้นพบนี้เกิดขึ้นเกือบ 100 ปีหลังจากที่ไอน์สไตน์เขียนบทความแรกเกี่ยวกับคลื่นแรงโน้มถ่วง “ราวกับว่าหลุมดำเหล่านั้นกำลังรอช่วงเวลานั้นอยู่” ซอลสันกล่าว

ในเอกสารที่ตีพิมพ์ในProceedings of the Royal Prussian Academy of Sciencesในปี 1916 และ 1918 ไอน์สไตน์ให้เหตุผลว่าเช่นเดียวกับการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น คลื่นวิทยุ เกิดขึ้นเมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ขึ้นและลงเสาอากาศ คลื่นของรังสีความโน้มถ่วง (สิ่งที่เขาเรียกว่า เรียกว่าแรงโน้มถ่วง สเวลเลน ) จะต้องเกิดขึ้นเมื่อมวลเคลื่อนที่ไปด้วย

แต่คลื่นเหล่านี้ไม่ได้เดินทางผ่านอวกาศเหมือนที่แสงเดินทาง พวกมันสั่นสะเทือนอย่างแท้จริงในกรอบของกาลอวกาศ เสียงก้องที่ตรวจจับได้เล็ดลอดออกมาจากเหตุการณ์ที่รุนแรงที่สุดในจักรวาล เช่น การเผชิญหน้าอย่างดุเดือดของหลุมดำขนาดใหญ่สองแห่ง (บันทึกโดยหอสังเกตการณ์คลื่นแรงโน้มถ่วงสองแห่ง) ที่รวมตัวกันในอ้อมกอดแห่งโชคชะตาเมื่อประมาณ 1.3 พันล้านปีก่อน อีกทางเลือกหนึ่งคือการยืดและบีบพื้นที่ คลื่นที่กระทบหลุมดำจะขยายชายสูง 6 ฟุตเป็น 12 ฟุตและภายในเสี้ยววินาที บีบเขาให้เหลือ 3 ฟุต ก่อนที่จะยืดเขาออกอีกครั้ง

ไอน์สไตน์ไม่เคยจินตนาการถึงที่มาที่เลวร้ายเช่นนี้สำหรับคลื่นของเขา ด้วยธรรมชาติที่ค่อนข้างเงียบสงบของจักรวาลในช่วงทศวรรษที่ 1910 เขากำลังนึกภาพคลื่นที่พุ่งออกมาด้านนอกเมื่อดาวสองดวงโคจรรอบกันและกัน และเขาและคนอื่นๆ รู้ว่าระลอกคลื่นในกาลอวกาศนั้นเบาบาง อ่อนแอเกินกว่าจะมองหาพวกมัน คนอื่นๆ สงสัยว่าความโน้มถ่วง ของเขา นั้นไม่มีอยู่จริงหรือไม่ และเป็นเพียงสิ่งประดิษฐ์ในจินตนาการของคณิตศาสตร์เชิงสัมพัทธภาพเท่านั้น นักสัมพัทธภาพทั่วไปโต้เถียงกันไปมาในประเด็นนี้เป็นเวลาหลายปี

ความหวังและความผิดหวัง

แต่จุดจบได้เปลี่ยนไปในช่วงปลายทศวรรษ 1950 เมื่อนักฟิสิกส์หนุ่มจากมหาวิทยาลัยแมรีแลนด์ชื่อโจเซฟ เวเบอร์ ตัดสินใจสร้างเครื่องตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงเพื่อตอบคำถาม ทฤษฎีสัมพัทธภาพเชิงทดลองกำลังอยู่ในยุคฟื้นฟูศิลปวิทยาในขณะนี้ และเวเบอร์ได้รับการสนับสนุนจากนักฟิสิกส์พรินซ์ตัน จอห์น อาร์ชิบัลด์ วีลเลอร์ จากนั้นเป็นคณบดีสัมพัทธภาพทั่วไปชาวอเมริกัน ให้ออกล่าคลื่นจริง

สำหรับการออกแบบของเขา เวเบอร์ได้ล้อมรอบกระบอกสูบอะลูมิเนียมขนาดเท่าเครื่องทำน้ำอุ่นซึ่งมีแท่งเป็นแท่งๆ พร้อมเซ็นเซอร์ โดยคิดว่าคลื่นที่พัดผ่านจะทำให้แท่งมีเสียงก้องกังวานเหมือนระฆัง เซ็นเซอร์จะแปลงการสั่นเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ลงทะเบียนไว้ในเครื่องบันทึกแผนภูมิแบบกระดาษ เขาให้เหตุผลว่าจำเป็นต้องใช้เครื่องตรวจจับสองเครื่องแยกจากกันหลายร้อยไมล์เพื่อแยกเสียงรบกวนในท้องถิ่น ในปีพ.ศ. 2512 เวเบอร์ได้ประกาศอย่างยิ่งใหญ่ในการประชุมสัมพัทธภาพในเมืองซินซินนาติว่าเขาได้บันทึกสัญญาณไว้ที่บาร์สองแห่งพร้อมกัน แห่งหนึ่งตั้งอยู่ในวิทยาเขตแมริแลนด์ อีกแห่งหนึ่งที่ Argonne National Laboratory ใกล้ชิคาโก ผู้เข้าร่วมประชุมกล่าวต้อนรับการประกาศด้วยเสียงปรบมือ (

SN: 6/21/69 น. 593

). สื่อมวลชนชื่อดังได้ประกาศการค้นพบของเขาว่าเป็นเหตุการณ์ที่สำคัญที่สุดในวิชาฟิสิกส์ในครึ่งศตวรรษ “ฆราวาสหลายคนจะต้องตกใจอย่างไม่ต้องสงสัย” . รายงาน

นิวยอร์กไทม์ส. อีกหนึ่งปีต่อมา เวเบอร์ประกาศว่าสัญญาณดังกล่าวเล็ดลอดออกมาจากใจกลางดาราจักรทางช้างเผือก อาจเป็นไปได้ว่ามาจากซุปเปอร์โนวาที่หลุดออกมาหรืออาจมาจากพัลซาร์ ซึ่งเป็นดาวนิวตรอนที่หมุนเร็วซึ่งเพิ่งค้นพบเมื่อเร็วๆ นี้

ในไม่ช้ากลุ่มฟิสิกส์อื่น ๆ ก็สร้างเครื่องตรวจจับของตนเอง แต่ไม่พบคลื่นใดๆ ทว่าพวกเขาก็ไม่ยอมแพ้ ในช่วงทศวรรษ 1980 ทีมงานในประเทศต่างๆ ได้สร้างเครื่องตรวจจับแท่งขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อเพิ่มความไว พวกเขาปรับการออกแบบ โดยห่อหุ้มเครื่องตรวจจับไว้ในของเหลวที่ระบายความร้อนด้วยซุปเปอร์เย็นเพื่อลดสัญญาณรบกวนจากความร้อน แต่กลับไม่มีสัญญาณใดๆ ถูกบันทึกไว้ ในขณะที่เวเบอร์ยังคงให้เครดิตกับการเริ่มเล่นในสนาม การขาดการตรวจสอบทำให้ชื่อเสียงของเขาเสียหาย แม้ว่าเขาจะยืนยันจนกระทั่งเขาเสียชีวิตในปี 2543 ว่าเครื่องตรวจจับของเขากำลังบันทึกคลื่น วันนี้ นักฟิสิกส์อ้างสิทธิ์ในเสียงและเชื่อว่าเวเบอร์ไม่เข้าใจเสียงธรรมชาติที่เล็ดลอดออกมาจากบาร์ของเขา

แต่ในขณะที่เทคโนโลยีแท่งกำลังเติบโต กลยุทธ์การตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงแบบใหม่ก็ปรากฏขึ้น ซึ่งเป็นวิธีการที่เรียกว่าเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรเมตรี นักวิจัยสองคนในสหภาพโซเวียต Mikhail Gertsenshtein และ VI Pustovoit ได้ตีพิมพ์แนวคิดนี้ครั้งแรกในปี 1962 แต่ไม่มีใครนอกประเทศรับรู้เรื่องนี้ เวเบอร์ก็คิดสั้น ๆ เกี่ยวกับเทคนิคนี้เช่นกัน แต่ไม่เคยเผยแพร่ ในปีพ.ศ. 2509 Rainer Weiss ที่ MIT ได้คิดแผนนี้ขึ้นมาโดยอิสระ — และผิดปรกติ