Před miliardou let (no, dej nebo vezmi) v galaxii daleko, daleko, dvě černé díry provedly kosmický balet pas de deux. Obíhali jeden druhého a postupně se pod vlivem vzájemné gravitace přibližovali, až se srazili a spojili dohromady. V důsledku takové srážky došlo ke kolosálnímu uvolnění energie, což odpovídá trojnásobku hmotnosti našeho slunce. Konvergence, kolize a sloučení dvou černých děr uvrhly okolní časoprostorové kontinuum do zmatku a vyslaly silné gravitační vlny všemi směry rychlostí světla.
V době, kdy se tyto vlny dostaly na naši Zemi (a bylo to ráno 14. září 2015), se kdysi silný řev kosmických rozměrů proměnil ve sotva slyšitelné kňučení. Nicméně dva obrovské stroje dlouhé několik kilometrů (detektory Laser Interferometric Observatory of Gravitational Waves PIOGV), umístěné ve státech Louisiana a Washington, zaznamenaly snadno rozpoznatelné stopy těchto vln. V úterý obdrželi Nobelovu cenu za fyziku za tento úspěch tři dlouholetí vedoucí projektu PIOGV - Rainer Weiss, Barry Barish a Kip Thorne.
Tento objev se vaří již dlouhou dobu, a to jak na lidské časové stupnici, tak na orloji. Dr. Weiss, Dr. Thorn a Dr. Barish a kolegové na jejich projektu pracovali několik desetiletí. Do objevu v roce 2015 byly zapojeny tisíce lidí pracujících na pěti kontinentech. Tento projekt je příkladem strategické vize budoucnosti vědců a tvůrců politik, která je od nás téměř stejně daleko jako tyto kolidující černé díry.
Na konci 60. let Dr. Weiss učil vyšší fyzikální kurz na Massachusetts Institute of Technology. Před několika lety fyzik Joseph Weber oznámil, že detekoval gravitační vlny pomocí nástroje s anténami z hliníkových válců. Weber však nedokázal přesvědčit skeptiky. Dr. Weiss zadal svým studentům domácí úkol najít jiný způsob detekce vln. (Studenti, vezměte na vědomí: domácí úkoly jsou někdy předzvěstí Nobelovy ceny.) Ale co když se pokusíte detekovat gravitační vlny pečlivým studováním nejmenších změn v interferenci laserových paprsků, které cestují různými cestami, a poté se znovu připojí v detektoru?
Teoreticky by se gravitační vlny měly v prostoru protahovat a stahovat a pohybovat se skrz něj. Dr. Weiss předpokládal, že takové narušení změní délku dráhy jednoho z laserových paprsků, díky čemuž budou oba paprsky v době, kdy dosáhnou k detektoru, nesynchronizovány, a z rozdílu v desynchronizaci bude možné určit vzorce interference.
Myšlenka byla odvážná a revoluční. A to je mírně řečeno. Aby mohli fyzici pomocí interferenční techniky zachytit gravitační vlny očekávané amplitudy, museli detekovat rozdíl ve vzdálenosti, který byl jednou částí z tisíce miliard miliard. Je to jako měřit vzdálenost mezi Zemí a Sluncem na stupnici jednoho atomu a sledovat všechny ostatní zdroje vibrací a chyb, které mohou potlačit tak slabý signál.
Není překvapením, že Dr. Thorne, který se letos stal jedním z laureátů Nobelovy ceny, uvedl ve své učebnici z roku 1973 problém jako domácí úkol. Vedl studenty k závěru, že interferometrie jako metoda detekce gravitačních vln není vůbec dobrá. (Dobře, pánové, studenti, někdy si nemusíte dělat domácí úkoly.) Ale s hlubším studiem tohoto problému se Dr. Thorne stal jedním z nejsilnějších zastánců interferometrické metody.
Přesvědčit Dr. Thorna bylo snazší než získat financování a přilákat studenty k práci. Národní vědecká nadace v roce 1972 odmítla první návrh Dr. Weissa. V roce 1974 podal nový návrh a získal určité finanční prostředky na studii designu. V roce 1978 Dr. Weiss ve své žádosti o financování poznamenal: „Postupně jsem dospěl k poznání, že tento druh výzkumu je nejlépe prováděn nezpochybnitelnými a možná hloupými vědci, stejně jako mladými postgraduálními studenty s dobrodružnými tendencemi.“
Propagační video:
Rozsah projektu se postupně rozšiřoval. Obrovská ramena interferometru se nyní musela prodloužit na několik kilometrů, ne na metry, a měla být vybavena nejmodernější optikou a elektronikou. Zároveň vzrostl rozpočet a výzkumný tým. Realizace tohoto složitého projektu nyní vyžadovala nejen hluboké znalosti fyziky, ale také politické dovednosti. V určitém okamžiku selhaly pokusy postavit jeden z těchto velkých detektorů v Maine kvůli politické rivalitě a zákulisním dohodám s kongresovými aparátčíky. To vědce naučilo, že existuje více interference než laserových paprsků.
Překvapivě Národní vědecká nadace schválila financování PIOGV v roce 1992. Byl to nejdražší projekt nadace, jaký je dodnes. Načasování bylo správné: po rozpadu Sovětského svazu na konci roku 1991 si fyzici okamžitě uvědomili, že argumenty studené války ve prospěch vědeckého výzkumu v Kongresu již nejsou platné.
V této době vstoupila rozpočtová taktika ve Spojených státech do nové fáze. Při plánování dlouhodobých projektů bylo nyní nutné zohlednit časté hrozby pozastavení činnosti státních orgánů (někdy k nim došlo). To komplikovalo rozpočtovou situaci, protože se nyní zaměřila na krátkodobé projekty, které slibovaly rychlé výsledky. Pokud by byl dnes projekt jako PIOGV navržen, je těžké si představit, že by získal souhlas.
PIOGV však ukazuje určité výhody dlouhodobého přístupu. Tento projekt ilustruje úzký vztah mezi vědou a vzděláváním, který jde daleko za domácí úkoly. Mnoho vysokoškolských a postgraduálních studentů z týmu PIOGV se stalo spoluautory historického článku o detekovaných vlnách. Od roku 1992 bylo v rámci tohoto projektu pouze v USA napsáno téměř 600 disertačních prací, které připravili vědci ze 100 univerzit a 37 států. Vědecký výzkum šel daleko za fyziku a nyní zahrnuje oblasti, jako je inženýrství a vývoj softwaru.
PIOGV ukazuje, čeho můžeme dosáhnout tím, že se podíváme za horizont a nenecháme se zavěsit na roční rozpočty a zprávy. Budováním vysoce citlivých strojů, vzděláváním inteligentních a oddaných mladých vědců a inženýrů můžeme s bezprecedentní přesností otestovat naše základní chápání přírody. Takové úsilí často vede ke zdokonalení technologií používaných v každodenním životě: navigační systém GPS byl vytvořen jako součást práce k testování Einsteinovy obecné teorie relativity. Je pravda, že takové neočekávané objevy je těžké předvídat. Ale s trpělivostí, vytrvalostí a hodně štěstí můžeme nahlédnout do nejvnitřnějších hlubin vesmíru.
David Kaiser je profesorem a lektorem fyziky a dějin vědy na Massachusetts Institute of Technology. Spolu s W. Patrickem McCrayem redigoval Groovy Science: Knowledge, Innovation a American Counterculture.