Ein 40-jähriges Streben, Einstein Recht zu geben



Am 14. September 2015 begann Rainer Weiss '55, PhD '62, den ersten Tag seines Urlaubs in Maine damit, das zu tun, was er jeden Morgen nach dem Frühstück tut, wo immer er auch ist: Er überprüfte die Experimentprotokolle für das Laserinterferometer Gravitationswelle Observatorium (LIGO). Eine Ankündigung, dass die für den nächsten Tag geplanten wöchentlichen Reparaturen abgesagt worden seien, kam Weiss, einem emeritierten Physikprofessor, seltsam vor. Augenblicke später leitete ihn eine Flut von E-Mails auf eine Website mit Bildern, die ihn wie vom Donner gerührt zurückließen: LIGO, das Instrument, das er vier Jahrzehnte zuvor konzipiert hatte, hatte bei einem seiner ersten Testläufe nach einem großen Upgrade ein Signal aufgezeichnet. Er stieß einen Schrei aus, der seine Frau und seinen Sohn zum Laufen brachte. Dann begann der Unglaube, sagt er. Das Signal war zu groß und zu perfekt. Es dauerte mehrere Tage, bis ich wirklich anfing zu glauben, dass es sich um ein echtes Ereignis handelte.

Nach monatelanger Analyse und Überprüfung der Daten gab ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des MIT und Caltech im Februar bekannt, dass das Signal von zwei massiven Schwarzen Löchern stammt, die vor 1,3 Milliarden Jahren kollidiert waren. Diese Kollision hatte einen Energieschub ausgelöst, der schätzungsweise 100-mal so hoch war wie der aller Sterne im Universum, und eine von LIGO aufgezeichnete Kräuselung der Raumzeit erzeugte. Es war der erste direkte Nachweis der Gravitationswellen, die Einstein vor einem Jahrhundert vorhergesagt hatte.





Wo beginnt die Geschichte von LIGO?
Hier fing es 1967 an. Ich wurde vom Leiter des Lehrstuhls für Physik gebeten, einen Kurs über Allgemeine Relativitätstheorie zu geben. Als das Jahr 1967 herumrollte, war die allgemeine Relativitätstheorie in die mathematischen Fakultäten verbannt worden. Es war eine Gravitationstheorie, aber hauptsächlich Mathematik, und in den Köpfen der meisten Menschen hatte sie keinen Bezug zur Physik. Und das lag vor allem daran, dass Experimente zum Beweis so schwer durchzuführen waren – all diese Effekte, die Einsteins Theorie vorhergesagt hatte, waren verschwindend klein.

Einstein hatte sich die Zahlen und Dimensionen angesehen, die in seine Gleichungen für Gravitationswellen eingingen, und im Wesentlichen gesagt: Das ist so winzig, dass es niemals einen Einfluss auf irgendetwas haben wird, und niemand kann es messen. Und wenn man an die Zeit und die Technik von 1916 denkt, hatte er wahrscheinlich recht.

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Das Wichtigste, was in den letzten 100 Jahren passiert ist, ist, dass die Menschen Dinge in der Astronomie entdeckt haben, die sich sehr von dem unterschieden, was sie 1916 kannten – eng kompakte Quellen [von Gravitationswellen], enorm dicht, wie ein Neutronenstern, und schwarze Löcher. Und es gab Technologie für Präzisionsmessungen, denn es gab Laser, Maser, Elektronik, Computer und eine ganze Reihe von Dingen, die die Menschen 1916 nicht hatten.



Die Technologie und das Wissen über das Universum machten es also möglich, als wir uns damit befassten, darüber nachzudenken, nach Gravitationswellen zu suchen.

In den 1960er Jahren hatte Joseph Weber von der University of Maryland die Idee, dass die Technologie vielleicht so weit gekommen sei, dass man nach Gravitationswellen suchen könne, und er erfand eine Methode dafür. Er stellte sich eine Art Xylophon aus massiven Resonanzstäben vor. Er erwartete, dass eine Gravitationswelle kommen und an einem der Stäbe ziehen und ihn zusammendrücken würde, und als die Welle wegging, würde sie einen Puls hinterlassen, und das Ding würde klingeln und man konnte es hören.

Es war die erste Idee, dass man aktiv nach Gravitationswellen suchen sollte. Und er hatte eine Entdeckung in den 1960er Jahren behauptet.

Als ich meinen Kurs unterrichtete, waren die Studenten sehr daran interessiert herauszufinden, was [Webers Experiment] war. Und ich bin ehrlich zu Ihnen, ich konnte beim besten Willen nicht verstehen, was er tat. Das war das Problem. Weil es jeder Intuition, die ich jetzt über die allgemeine Relativitätstheorie entwickelt hatte, völlig widersprach. Ich konnte es den Schülern nicht erklären.



Das war damals mein Dilemma, und da wurde die Erfindung gemacht. Ich sagte: Was ist das Einfachste, was mir einfällt, um diesen Studenten zu zeigen, dass man den Einfluss einer Gravitationswelle feststellen kann?

Das Offensichtliche für mich war, nehmen wir frei schwebende Massen im Weltraum und messen die Zeit, die das Licht benötigt, um zwischen ihnen zu reisen. Das Vorhandensein einer Gravitationswelle würde diese Zeit verändern. Anhand der Zeitdifferenz konnte man die Amplitude der Welle messen. Gleichungen für diesen Prozess sind einfach zu schreiben, und die meisten Schüler in der Klasse könnten es tun. Vergessen Sie für einen Moment, dass dies ein Gedankenexperiment war, das unglaublich genaue Uhren erforderte. Das Prinzip war in Ordnung.

Simulation der Kollision von Schwarzen Löchern, die die von LIGO am 1. September 2015 entdeckten Schwerewellen erzeugten.

Ich dachte nicht weiter darüber nach, bis ich etwa ein Jahr später etwas über Webers Experimente zu erkennen begann: Niemand bekam die Antwort, die er bekam. Er hatte einen gewaltigen und mächtigen Anspruch erhoben. Und ich begann zu erkennen, dass das vielleicht falsch war, und vielleicht war sogar seine Vorstellung davon, wie es funktioniert, falsch.

Also setzte ich mich in ein kleines Zimmer im Gebäude 20, dem Plywood Palace in der Vassar Street, und arbeitete den ganzen Sommer an der Idee, über die ich mit meinen Studenten gesprochen hatte. Und da ich wusste, was man mit Lasern machen kann, habe ich es ausgerechnet: Könnte man auf diese Weise tatsächlich Gravitationswellen nachweisen? Und ich kam zu dem Schluss, dass man Gravitationswellen in einer Stärke nachweisen konnte, die viel besser war als die, nach der Weber suchte.

Was war nötig, um diese Idee in physische Form zu bringen?
Wir bauten einen 1,5-Meter-Prototyp im RLE [dem Forschungslabor für Elektronik] mit [militärischer] Finanzierung und waren recht gut vorangekommen. Durch die Mansfield-Änderung, die eine Reaktion auf den Vietnamkrieg war, war die Finanzierung auf einmal weg. In den Köpfen der lokalen RLE-Administratoren war die Forschung in Gravitation und Kosmologie nicht im Interesse des Militärs, und die als relevanter erachtete Festkörperphysik wurde unterstützt. Zum ersten Mal musste ich Vorschläge an andere staatliche und private Stellen schreiben, um unsere Forschung fortzusetzen.

Bisher hat noch niemand ernsthaft an der Gravitationswellen-Interferometrie gearbeitet, obwohl, wie ich später erfuhr, auch andere darüber nachgedacht hatten. Eine deutsche Gruppe am Max-Planck-Institut in Garching hatte gerade eine Weber-Bar gebaut. Sie hatten mit den Italienern zusammengearbeitet und festgestellt, dass Weber falsch lag. Sie hatten wahrscheinlich das allerbeste Experiment von allen durchgeführt, um dies zu zeigen. Das war Mitte der 70er.

Sie wurden gebeten, meinen Vorschlag an die National Science Foundation zu prüfen, gerade als sie über die nächste Sache nachdachten, an der sie arbeiten sollten. Sie hatten, wie damals viele andere Konzerne auf der Welt, darüber nachgedacht, noch bessere Weber-Riegel herzustellen, indem sie sie auf nahezu den absoluten Nullpunkt herunterkühlten. Stattdessen entschieden sie sich, die Interferometer-Idee auszuprobieren. Sie riefen mich an, um zu fragen, ob es Studenten gibt, die an dem 1,5-Meter-Prototyp ausgebildet wurden, damit sie ihnen einen Job anbieten könnten. (Genau zu dem Zeitpunkt, als sie anriefen, gab es keine; wenig später schloss sich David Shoemaker, der am MIT-Prototyp gearbeitet hatte, der Garchinger Gruppe an.) Sie bauten dann einen drei Meter langen Prototyp, brachten ihn zum Laufen und leisteten hervorragende Arbeit .

Als nächstes bauten sie einen 30 Meter langen. Etwas später begann eine Gruppe in Glasgow, Schottland, unter der Leitung von Ronald Drever, der auch eine Weber-Bar gebaut hatte, an interferometrischen Detektoren zu arbeiten.

Als ich von der NSF finanziert wurde und wieder loslegte, hatte die deutsche Gruppe wirklich die meisten technischen Probleme mit der Idee gelöst und gezeigt, dass alle Berechnungen, die ich gemacht hatte, richtig waren, dass es genauso funktionierte wie berechnet. Sie fügten auch einige eigene Ideen hinzu, die es besser machten.

Am LIGO-Detektor in Livingston, Louisiana, dauerte es 40 Tage, um Luft im Wert von über zwei Millionen Fußbällen aus zwei vier Kilometer langen Vakuumkammern zu extrahieren, was zu einem Billionstel des Luftdrucks auf Meereshöhe führte.

Ein wichtiger Schritt war 1975. Da ich auch von der NASA unterstützte Studien zur kosmischen Hintergrundstrahlung durchführte, wurde ich von der NASA gebeten, ein Komitee zur Nutzung der Weltraumforschung auf dem Gebiet der Kosmologie und Relativitätstheorie zu leiten. Was für mich aus diesem Komitee herauskam, war, dass ich den [Caltech-Physiker] Kip Thorne traf, den ich gebeten hatte, ein Zeuge für das Komitee zu sein.

Ich holte Kip in einer heißen Sommernacht am Flughafen ab, als Washington, D.C. voller Touristen war. Er hatte keine Hotelreservierung, also teilten wir uns für die Nacht ein Zimmer. Am Ende verbrachten wir die ganze Nacht damit, darüber zu reden, was für Caltech interessante Experimente sein könnten. Kip hatte am Caltech eine der besten Theoriegruppen für Gravitation entwickelt und dachte daran, eine experimentelle Gravitationsgruppe dorthin zu bringen. Wir legten auf einem großen Blatt Papier all die verschiedenen Experimente an, um die herum man eine neue Gruppe aufbauen konnte. Ich erzählte ihm von dieser Sache, an der wir arbeiteten. Er hatte noch nie davon gehört und interessierte sich sehr dafür. Was dabei herauskam, war, dass Kip und ich schließlich entschieden, dass Caltech und das MIT dieses [Projekt, das zu LIGO wurde] gemeinsam machen würden.

Welche Schlüsselmomente haben das Projekt vorangetrieben?
In den späten 1970er Jahren führte die MIT-Gruppe, zu der jetzt Peter Saulson und Paul Linsay gehören, eine Studie mit der Industrie durch, um die Machbarkeit des Baus eines großen Gravitationswellen-Interferometers im Kilometermaßstab zu ermitteln. Die Studie befasste sich mit der Herstellung großer Vakuumsysteme und erwog, wie die Kosten für die Skalierung der Prototypen, die möglichen Standorte, an denen man fünf bis zehn Kilometer lange L-förmige Strukturen mit minimalen Erdbewegungen bauen könnte, und die Verfügbarkeit von Optiken ermittelt werden könnten und Lichtquellen. Wir haben uns die möglichen Quellen von Gravitationswellen und mehrere konkurrierende Interferometerkonzepte angesehen, die in verschiedenen Labors auf der ganzen Welt als Prototypen entwickelt wurden. Die Informationen wurden in einem Bericht namens Blue Book zusammengefasst und 1983 der NSF vorgelegt. Wissenschaftler von Caltech und MIT präsentierten gemeinsam die im Blue Book entwickelten Ideen sowie die Ergebnisse der Prototypenforschung.

Der von uns präsentierte Vorschlag bestand darin, ein Detektorsystem herzustellen, das empfindlich genug ist, um tatsächlich Gravitationswellen aus einer astrophysikalischen Quelle zu erkennen (nicht nur ein neuer Prototyp). Der Vorschlag war, zwei Detektoren zu bauen. Mit einem konnte man keine Wissenschaft betreiben; Sie mussten zwei getrennte Detektoren haben, die gleich empfindlich und lang genug waren.

Die MIT LIGO-Gruppe im Jahr 2016. Vordere Reihe von links nach rechts: Haocun Yu, Ken Mason, Nergis Mavalvala, Maggie Tse, Rainer Weiss, Peter Fritschel, David Shoemaker, Hang Yu. Hintere Reihe von links nach rechts: 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.

Das war später ein echter Kampf. Sie wollten diese Ideen beibehalten, und die Leute wollten sie später kürzen: Warum nicht einfach eine lange bauen? Warum so lange bauen? All diese Argumente wurden vorgebracht, aber wir haben es durchgehalten. Wir mussten – sonst hätten wir nie überlebt und wären heute nicht hier. Wir haben eine Bestätigung vom Komitee erhalten: riskante Forschung mit der Möglichkeit eines tiefgreifenden Ergebnisses, das es wert ist, als neues Projekt der NSF in Betracht gezogen zu werden.

Mitte der 1980er Jahre versuchte die NSF immer wieder herauszufinden, wie sie damit beginnen sollte. Dann, 1986, passierte etwas Interessantes, das den Stillstand endgültig durchbrach. Richard Garwin, der mit Enrico Fermi [1938 Nobelpreisträger für Physik] und mit dem Energieministerium zusammengearbeitet und alle Berechnungen durchgeführt und die eigentliche Entwicklung der ersten Wasserstoffbombe durchgeführt hatte, war Chefwissenschaftler von IBM geworden. Er hatte über Webers Experimente gelesen und beschlossen, mit einem anderen IBM-Mitarbeiter ein kleines zu bauen, viel intelligenter als das, was Weber gebaut hatte – und er sah nichts.

Die NSF versuchte, dieses riesige neue Programm für Gravitationswellen zu verkaufen. Garwin bekommt davon Wind und dachte, er hätte diesen Drachen getötet. Er schrieb einen Brief an die NSF, in dem er sagte: Wenn Sie darauf bestehen, sollten Sie besser eine echte Studie durchführen.

Also führten wir eine Studie an der American Academy of Arts and Sciences in der Beacon Street in Cambridge durch. Es war ein einwöchiges Treffen mit einem exzellenten Komitee hartgesottener Wissenschaftler, die die Forschung, die wir mit den Prototypen durchgeführt hatten, die Machbarkeitsstudien zur Herstellung eines großen Systems, die Pläne für den Standort des Systems und die Kostenschätzungen überprüften. Die Empfehlung des Gremiums war unglaublich gut: Das Projekt lohnt sich auf jeden Fall, nicht in Detektoren nacheinander aufteilen, in voller Länge, keine Prototypen mehr. Es empfahl auch eine Änderung in der Leitung des Projekts, um einen einzigen Direktor anstelle einer Lenkungsgruppe zu haben, wie wir das Projekt bis dahin geleitet hatten.

1989 schrieben wir unter der Leitung von Rochus Vogt [einem ehemaligen Caltech-Provost] einen weiteren Vorschlag, für den wir fast sechs Monate brauchten – es war ein Meisterwerk. Der Vorschlag war, zwei Standorte mit vier Kilometer langen Interferometern zu errichten. Die Interferometer sollten inszeniert werden. Der erste Detektor basierte auf den inzwischen einigermaßen ausgereiften Forschungsergebnissen der Prototypen mit einer Empfindlichkeit, die eine plausible Möglichkeit zur Erkennung bot. Der zweite Detektor basierte auf neueren, fortgeschrittenen Konzepten, die noch nicht vollständig getestet worden waren, aber die Fähigkeit einer guten Entdeckungsmöglichkeit boten. Der Vorschlag schaffte es durch das National Science Board und wurde angenommen, und es kamen beträchtliche Geldbeträge.

In den 1990er Jahren ist der Rest der Geschichte einfacher. Jetzt wurden unter der Leitung von Barry Barish [einem Caltech-Physikprofessor] die Standorte gebaut und entwickelt, Vakuumsysteme hergestellt und wir begannen mit dem Betrieb der ersten Detektoren. Bis 2010 hatten wir sie laufen lassen und enorme Verbesserungen in ihrer Empfindlichkeit erzielt, aber nichts gesehen. Es war ein reines Nichts; Die Detektoren waren nach Plan gelaufen, und wir sahen keine Anomalien, die als Gravitationswellen interpretiert werden könnten. Basierend auf der Tatsache, dass wir [unsere gewünschte] Entwurfsempfindlichkeit erreicht und die Wissenschaft durchgeführt hatten, um einige interessante Obergrenzen möglicher Quellen zu bestimmen, erhielten wir die Finanzierung, um Advanced LIGO zu bauen.

Der LIGO-Wissenschaftler und MIT-Professor Nergis Mavalvala umarmt Rebecca Weiss bei der MIT-Veranstaltung, die die Entdeckung von Gravitationswellen ankündigt. MIT-Präsident L. Rafael Reif hatte gerade die im Bush Room Versammelten angeführt, indem er Weiss applaudierte und sagte: „Zweifellos war dies auch Ihr Lebenswerk.

Wie bedeutsam ist diese Entdeckung für Sie?
Soweit wir die Ambitionen vieler von uns, die daran gearbeitet haben, erfüllt haben, ist es bedeutsam. Es ist das Signal, das wir alle sehen wollten, weil wir davon wussten, wir hatten nie einen wirklichen Beweis dafür, und es ist die nie zuvor beobachtete Grenze von Einsteins Gleichungen – die Dynamik der Geometrie der Raumzeit im Starken [Gravitations-]Feld und hohe Geschwindigkeitsgrenze.

Für mich ist es ein Abschluss für etwas, das eine sehr komplizierte Geschichte hatte. Die Feldgleichungen und die ganze Geschichte der Allgemeinen Relativitätstheorie waren kompliziert. Hier haben wir plötzlich etwas, woran wir uns klammern können und sagen, Einstein hatte recht. Was für eine wunderbare Einsicht und Intuition er hatte.

Ich spüre ein enormes Gefühl der Erleichterung und etwas Freude, aber vor allem Erleichterung. Es gibt einen Affen, der seit 40 Jahren auf meiner Schulter sitzt und mir ins Ohr schwatzt und sagt: Ehhh, woher weißt du, dass das wirklich funktioniert? Sie haben eine ganze Reihe von Menschen involviert. Angenommen, es funktioniert nie richtig? Und plötzlich ist er abgesprungen. Es ist eine große Erleichterung.

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