„A gravitációs hullámok megmérése szép végcél volt, de engem nem ez vitt előre” – interjú a Nobel-díjas Rainer Weiss-szel

Az univerzum kataklizmaszerű eseményei, például két fekete lyuk összeolvadása vagy két egymásba kapaszkodó neutroncsillag egyre gyorsuló egymás körüli tánca  gravitációs hullámokat vet a téridő szövetén. Ez a téridőt maga körül meggörbítő összes nagy tömegű testre, például a bolygókra és a csillagokra, így a Földre és a Napra is hatással van. Mindez következett Albert Einstein több mint száz évvel ezelőtti relativitáselméletéből, épp csak senkinek nem sikerült semmivel sem befogni a szóban forgó gravitációs hullámokat. Egészen 2015-ig, amikor is a Rainer Weiss német származású amerikai fizikus elméletén alapuló lézerinterferometriás detektoron fennakadt az első ilyen hullám. 

A lézerinterferometriás gravitációshullám-mérés hőskoráról és az abban rejlő jövőbeli lehetőségekről a módszert kidolgozó, munkásságáért tavaly fizikai Nobel-díjjal elismert Rainer Weiss fizikust kérdeztük, akit az ELTE múlt csütörtökön díszdoktorává avatott. 

Rainer Weiss, Nobel-díjas fizikus, az ELTE díszdoktoraFotó: Bryce Vickmark

Qubit: Gravitációs hullámokról elsőként Einstein értekezett, de a létezésüket méréssel bizonyítani csak száz évvel később sikerült. Ön először 1972-ben rukkolt elő egy erre alkalmas módszerrel. A lézerinterferometrián alapuló detektort negyed századdal később üzemelték be, a Nobel-díjra pedig tavalyig kellett várni. Mi tartott ennyi ideig?

Rainer Weiss: A lézerinterferometrián alapuló mérés hipotézisét az MIT-n egy belső jelentésben vetettem fel először. A gyakorlatba ültetést több tényező is nehezítette. Egyrészt a laboratóriumomat akkoriban az amerikai hadsereg finanszírozta, de egy korabeli kormányzati döntés értelmében csak a katonai küldetésekben közvetlenül hasznosítható kutatásokat támogathatták. A gravitációs hullámok detektálása nem minősült annak. Az amerikai tudományos alap (NSF) viszont, mielőtt pénzt ítélt volna meg a programra, a felvetést több, hasonló kutatásokat végző laboratóriumba küldte szét véleményezésre. Így fordulhatott például elő, hogy mire a projektre kaptam 50 ezer dollárt, a müncheni Max Planck Intézetből felhívott a tanulmányom véleményezésére felkért Heinz Billing, hogy ellenemre lenne-e, ha az elméletem alapján az általam tervezettnél kétszer nagyobb prototípust kezdenének építeni. Én ugyanekkor még csak alapszakos egyetemistákkal dolgozhattam együtt, mert a felvetést az MIT nem tartotta tudományosan elég érdekesnek ahhoz, hogy doktoranduszok foglalkozzanak vele.

A téridő masszív testek, például a Nap és a Föld által keltett görbületeIllusztráció: Rainer Weiss

Eszerint Németországban hamarabb épült meg a prototípus, mint Amerikában?

Mire megépítettük az első 1,5 méteres prototípust, a németek addigra már működtettek egy 3 méteres verziót. Náluk több pénzből, komplett tudóscsoport dolgozott ezen. A munkájuknak köszönhetően az eredeti elmélet számtalan hibájára is fény derült menet közben. Időközben egy skóciai kutatócsoport is beszállt a lézerinterferometriás mérés bizniszbe. Vezetőjüket, Ronald Drevert kérte fel végül a Caltech, hogy az Egyesült Államokban bábáskodjon egy 40 méteres prototípus építésénél. Ekkor gondoltam úgy, hogy eljött az ideje, hogy egy éles rendszert építsünk. Az NSF-nek 1983-ban készítettem egy hatástanulmányt és egy költségtervezetet. Míg a Caltech teljes mellszélességgel támogatta a projektet, az MIT akkoriban túl kockázatosnak ítélte a kísérletet. Ezért kézenfekvőnek tűnt az együttműködés. Így született meg a LIGO-projekt.

Mennyivel kellett a prototípusra szánt 50 ezer dollárnál több pénz erre?

Ekkor már egyértelmű volt, hogy a méréshez két, egymástól több ezer kilométeres távolságban található detektort kell építeni. Az első gravitációs hullámot végül 2015-ben detektáló rendszerhez a Louisiana és Washington államban elhelyezett detektorokat az eredeti berendezésekben lévőnél érzékenyebbre kellett cserélni. Az eredeti rendszer 210 millió dollárba került, a fejlesztés további 180 millióba. A detektorok működtetése évente nagyjából 50 millió dollár. A LIGO-projekt eddig hozzávetőleg 1,1 milliárd dollárba került. 

Miután a téridő görbületének a hullámszerűen terjedő torzulását sem a prototípusokkal, sem az első éles detektorral nem sikerült bemérni, miért gondolta bárki, hogy ezzel érdemes tovább bíbelődni? 

Én erre egész biztosan nem így tekintettem: az elején csak egy fiú voltam, akiben túltengett az optimizmus és a kísérletezőkedv. 1972-ben mindez rendkívül izgalmasnak tűnt, amit még élveztem is. A gravitációs hullámok megmérése, persze, szép végcél volt, de engem nem ez, hanem az vitt előre, hogy érdekes technológiai megoldásokon dolgozhattam olyanokkal, akikkel szerettem együtt lenni. Ennyire egyszerű.

Aztán csak meg kellett építeni egy 4 kilométer hosszú karokból álló berendezést. Apropó, miért kellett, hogy L-alakú legyen?

A téridő torzulását a berendezés az alapján méri, változik-e a lézerfény utazási ideje két pont között. A mérés stabilizálásához két irányt kell mérni, a berendezés a két út idejét hasonlítja össze. Az abszolút időt egyelőre nem tudjuk mérni, az lehetetlen.

Általában véve lehetetlen, vagy csak most az?

A lézertechnológia és az interferometria lassú fejlődésével lehetségessé válhat a jövőben. Ezt a fejlődést esetleg a gravitációs hullámok világűrben történő mérésénél, a LISA-projektnél lehet majd kihasználni. 

Eszerint a fegyvertény, hogy a LIGO-val végülis sikerült befogni néhány gravitációs hullámot, hozzájárul a még drágább detektorok, például a LISA vagy az Einstein-teleszkóp megépítéséhez, amelyek közül az utóbbi egyik lehetséges helyszíne akár a Mátra is lehet

Egy biztos: ha a LIGO érzékenyebb verziója se tudott volna bemérni egyetlen gravitációs hullámot sem, az emberek azt gondolhatták volna, hogy az egész koncepció alapvetően hibás. Ezt még a NASA döntéshozói is így gondolták, egészen addig, amíg az első hullámot be nem mértük 2015 szeptemberében. Épp egy évvel azelőtt döntötték el, hogy nem támogatják tovább az egyébként az 1970-es évek óta dédelgetett LISA-programot. Csak a LIGO sikere miatt szálltak vissza az Európai Űrhivatal által fenntartott programba. Az Einstein-teleszkópnak a LIGO sikere nélkül esélye sem lenne.

A pénzt és a szkepticizmust leszámítva mi volt a legnehezebb akadály?

Olyan műszert kellett tervezni, amely képes mérni a tér 10-21 mértékű torzulását. Ez nagyjából akkora változásnak felel meg, amellyel egy tárgy 10-18 métert mozdul el. Ez az atommag ezred része. Mindezt úgy, hogy biztos legyen, hogy az elmozdulást egy gravitációs hullám, nem pedig valami más okozza.

Hogy lehet biztosra menni egy olyan műszernél, ami olyasmit mér, amit még soha senki nem látott, így a létezése sem biztos?

Az Einstein-egyenletek megoldásával lehetővé vált a modellezés. Igaz, az egyenletek megoldása, valamint az azon alapuló modellezéshez szükséges szoftverek és hardverek megépítése majdnem ugyanannyi időt vett igénybe, mint a gravitációs hullámok detektálására szolgáló rendszer megépítése. De az általános relativitás egyenleteinek a numerikus megoldásával számszerű paraméterek egész sorát lehetett szimulációs programokba táplálni. A számítógép ezután ki tudta számolni, hogyan kellene kinéznie egy gravitációs hullámnak. Miután sikerült is bemérni egyet, kiderült, hogy a program szimulálta hullám és a mért adatok megfeleltethetők egymásnak. Ez a bizonyíték.

Ha egy hiperérzékeny rendszert legfeljebb szimulációk segítségével lehet ellenőrizni, miközben számtalan földi és világűrbeli zaj zavarhatja, mennyire biztos, hogy azt mérte, amire tervezték?

Ezt több tízezer biztosíték garantálja. A mérési helyszíneken földi és légköri érzékelők tízezrei mérik a környezet legapróbb rezdüléseit is. Mérjük a földfelszíni zajokat: a közelben lévő energiatermelő állomásokból származó ingadozásokat, a hőmérséklet-ingadozásokat, a Föld mágneses mezőjének a legapróbb rezdülését is. A műszerben ugyancsak több tízezer érzékelő méri a detektor működéséből fakadó legkisebb háttérzajt is. Ha bármi olyat észlelünk, ami összefüggésben lehet a műszer által mért torzulással, a mérési eredményt korrigáljuk, szükség esetén el is vetjük. De a legfontosabb garancia az, hogy két független, egymástól több ezer kilométerre lévő helyszínen mérünk. Szinte teljesen kizárt, hogy ugyanazok a háttérzajok ugyanakkor érjék a Louisiana és a Washington államban lévő LIGO-detektort is. Az már csak hab a tortán, hogy a mért eredményeket a szimulátorba is betápláljuk és ellenőrizzük, hogy az algoritmus is azt mutatja-e, amit mértünk. 

Azon túl, hogy bizonyítanak egy százéves elméletet és Nobel-díjat ér a felfedezésük, mi értelme van megmérni a gravitációs hullámokat?

A világegyetem teljesen új arcát lehet azokból megismerni.

Ehhez miért nem elég az elektromágneses hullámok méricskélése?

Mert a világegyetem számos jelenségéről nem hordoznak információt. A plazma által körülvett neutroncsillagokba semmilyen betekintést nem engednek. Az utóbbiak által alkotott, rendkívül gyorsan forgó kettős rendszerek működéséről semmit nem mondanak. A fekete lyukakat vagy azok keletkezését pedig végképp nem lehet az elektromágneses sugárzás mérésével vizsgálni, mert a fekete lyukakat nem hagyja el elektromágneses sugárzás. És ami a legfontosabb: a gravitációs hullámok – az elektromágnesesekkel ellentétben – mindenen, a plazmán, a töltött részecskéken, de még magán a Földön is akadálytalanul áthatolnak.

Egyesek szerint még a gravitáció kvantumelméletét is megalapozhatják. Valóban így van?

Én ezt nem tudom biztosra ígérni, de ha van esély a gravitáció kvantumelméletének a megalapozására, az leginkább a kozmológiából érkezhet. Meg kellene érteni a világegyetem keletkezésének a kezdeti lépéseit, amikor a világegyetem még nagyon parányi volt. Ott pedig már nincs más, csak a kvantumelmélet