Una búsqueda de 40 años para demostrar que Einstein tenía razón

El 14 de septiembre de 2015, Rainer Weiss '55, PhD '62, comenzó el primer día de sus vacaciones en Maine haciendo lo que hace todas las mañanas después del desayuno, donde sea que esté: revisó los registros del experimento del interferómetro láser de ondas gravitacionales. Observatorio (LIGO). Un anuncio de que las reparaciones semanales planificadas para el día siguiente habían sido canceladas le pareció extraño a Weiss, un profesor emérito de física. Momentos después, una ráfaga de correos electrónicos lo dirigió a un sitio web con imágenes que lo dejaron estupefacto: LIGO, el instrumento que había concebido cuatro décadas antes, había registrado una señal en una de sus primeras pruebas después de una actualización importante. Dejó escapar un grito que atrajo a su esposa e hijo corriendo. Entonces comenzó la incredulidad, dice. La señal era demasiado grande y demasiado perfecta. Pasaron varios días antes de que realmente comenzara a creer que era un evento real.

Después de meses de análisis y revisión de datos, un equipo internacional de investigadores dirigido por científicos del MIT y Caltech anunció en febrero que la señal era de dos agujeros negros masivos que chocaron hace 1.300 millones de años. Esa colisión había liberado una explosión de energía estimada en 100 veces la de todas las estrellas del universo, produciendo una onda en el espacio-tiempo registrada por LIGO. Fue la primera detección directa de las ondas gravitacionales que predijo Einstein hace un siglo.

¿Dónde comienza la historia de LIGO?
Comenzó aquí en 1967. El director del programa de enseñanza de física me pidió que diera un curso sobre relatividad general. Para cuando llegó 1967, la relatividad general había sido relegada a los departamentos de matemáticas. Era una teoría de la gravedad, pero sobre todo matemática, y en la mente de la mayoría de la gente no guardaba relación con la física. Y eso se debió principalmente a que los experimentos para probarlo eran muy difíciles de hacer: todos estos efectos que la teoría de Einstein había predicho eran infinitesimalmente pequeños.

Einstein había mirado los números y dimensiones que entraron en sus ecuaciones para las ondas gravitacionales y dijo, esencialmente, esto es tan pequeño que nunca tendrá ninguna influencia en nada, y nadie puede medirlo. Y cuando piensas en los tiempos y la tecnología en 1916, probablemente tenía razón.

Lo más importante que sucedió en los últimos 100 años es que la gente descubrió cosas en astronomía que eran muy diferentes de lo que sabían en 1916: fuentes [de ondas gravitacionales] muy compactas, enormemente densas, como una estrella de neutrones, y agujeros negros. Y había tecnología para hacer mediciones de precisión, porque había láseres, másers, electrónica, computadoras y un montón de cosas que la gente no tenía en 1916.

Entonces, la tecnología y el conocimiento del universo hicieron posible, cuando nos metimos en esto, contemplar tratar de buscar ondas gravitacionales.

En la década de 1960, Joseph Weber, de la Universidad de Maryland, tuvo la idea de que tal vez la tecnología había llegado al punto en que se podían buscar ondas gravitacionales, e inventó un método para hacerlo. Imaginó una especie de xilófono hecho de enormes barras resonantes. Esperaba que viniera una onda gravitacional y tirara de una de las barras y la apretara, y cuando la onda se fuera, dejaría un pulso, y la cosa sonaría y podrías escucharla.

Fue la primera idea que deberías hacer algo activo para ir a buscar ondas gravitacionales. Y había reclamado un descubrimiento en la década de 1960.

Cuando impartí mi curso, los estudiantes estaban muy interesados ​​en saber qué era [el experimento de Weber]. Y seré honesto contigo, no podía por mi vida entender lo que estaba haciendo. Ese era el problema. Porque contrarrestaba por completo todas las intuiciones que había desarrollado sobre la relatividad general. No podía explicárselo a los estudiantes.

Ese era mi dilema en ese momento, y fue entonces cuando se hizo la invención. Dije: ¿Qué es lo más simple que se me ocurre para mostrarles a estos estudiantes que se puede detectar la influencia de una onda gravitacional?

Lo obvio para mí fue, tomemos masas que flotan libremente en el espacio y midamos el tiempo que tarda la luz en viajar entre ellas. La presencia de una onda gravitacional cambiaría ese tiempo. Usando la diferencia de tiempo, uno podría medir la amplitud de la onda. Las ecuaciones para este proceso son fáciles de escribir y la mayoría de los estudiantes de la clase podrían hacerlo. Olvídese por un momento de que se trataba de un experimento mental que requería relojes increíblemente precisos. El principio estaba bien.

Simulación de la colisión de agujeros negros que produjo las ondas de gravedad detectadas por LIGO el 1 de septiembre de 2015.

No volví a pensar en ello hasta aproximadamente un año después, cuando comencé a darme cuenta de algo sobre los experimentos de Weber: nadie obtenía la respuesta que él obtenía. Había hecho una afirmación enorme y poderosa. Y comencé a darme cuenta de que tal vez esto estaba mal, y tal vez incluso su idea de cómo funciona estaba mal.

Así que me senté en una pequeña habitación en el Edificio 20, el Plywood Palace en Vassar Street, y trabajé todo el verano en la idea que había hablado con mis alumnos. Y sabiendo lo que podrías hacer con los láseres, lo resolví: ¿podrías realmente detectar ondas gravitacionales de esta manera? Y llegué a la conclusión de que sí, se podían detectar ondas gravitacionales, con una fuerza mucho mejor que la que buscaba Weber.

¿Qué se necesitó para llevar esta idea a una forma física?
Estábamos construyendo un prototipo de 1,5 metros en RLE [el Laboratorio de Investigación de Electrónica] utilizando fondos [militares], y estábamos bastante avanzados. De repente, la financiación desapareció debido a la Enmienda Mansfield, que fue una reacción a la Guerra de Vietnam. En la mente de los administradores locales de RLE, la investigación en gravitación y cosmología no era de interés militar y se brindó apoyo a la física del estado sólido, que se consideró más relevante. Por primera vez, tuve que escribir propuestas a otras agencias gubernamentales y privadas para continuar con nuestra investigación.

Nadie estaba trabajando seriamente en la interferometría de ondas gravitacionales todavía, aunque, como supe más tarde, otros también habían pensado en ello. Un grupo alemán del Instituto Max Planck en Garching acababa de construir un bar Weber. Habían trabajado con los italianos y descubrieron que Weber estaba equivocado. Probablemente habían hecho el mejor experimento de todos para demostrar esto. Eso fue a mediados de los 70.

Se les pidió que revisaran mi propuesta a la Fundación Nacional de Ciencias, justo cuando estaban pensando en lo siguiente en lo que trabajarían. Habían estado pensando, como muchos otros grupos en el mundo en ese momento, en hacer barras Weber aún mejores enfriándolas hasta cerca del cero absoluto. En cambio, tomaron la decisión de probar la idea del interferómetro. Me llamaron para preguntar si había algún alumno que se hubiera formado en el prototipo de 1,5 metros para que le ofrecieran trabajo. (Exactamente en el momento en que llamaron, no había ninguno; un poco más tarde, David Shoemaker, que había trabajado en el prototipo del MIT, se unió al grupo de Garching). Luego construyeron un prototipo de tres metros, lo hicieron funcionar e hicieron un trabajo hermoso. .

Luego construyeron uno de 30 metros. Algo más tarde, un grupo en Glasgow, Escocia, dirigido por Ronald Drever, quien también había construido una barra Weber, comenzó a trabajar en detectores interferométricos.

Cuando obtuve el financiamiento de la NSF y me puse en marcha nuevamente, el grupo alemán realmente había resuelto la mayoría de los problemas técnicos con la idea y demostró que todos los cálculos que había hecho eran correctos, que funcionaba tal como se calculó. También agregaron algunas ideas propias que lo mejoraron.

En el detector LIGO en Livingston, Louisiana, tomó 40 días extraer más de dos millones de balones de aire de dos cámaras de vacío de cuatro kilómetros de largo, lo que resultó en una trillonésima parte de la presión del aire al nivel del mar.

Un paso clave fue en 1975. Debido a que también estaba haciendo estudios sobre la radiación cósmica de fondo con el apoyo de la NASA, la NASA me pidió que dirigiera un comité sobre los usos de la investigación espacial en el campo de la cosmología y la relatividad. Lo que salió de ese comité, para mí, fue que conocí [al físico de Caltech] Kip Thorne, a quien le había pedido que fuera testigo para el comité.

Recogí a Kip en el aeropuerto una calurosa noche de verano cuando Washington, D.C., estaba lleno de turistas. No tenía una reserva de hotel, así que compartimos una habitación para pasar la noche. Terminamos pasando toda la noche hablando sobre lo que podrían ser experimentos interesantes para Caltech. Kip había desarrollado uno de los mejores grupos de teoría sobre gravitación en Caltech y estaba pensando en llevar allí un grupo de gravitación experimental. Dispusimos en una hoja grande de papel todos los diferentes experimentos alrededor de los cuales se podría construir un nuevo grupo. Le conté sobre esto en lo que estábamos trabajando. Nunca había oído hablar de eso, y se interesó mucho. Lo que resultó fue que Kip y yo finalmente decidimos que Caltech y el MIT harían este [proyecto que se convirtió en LIGO] juntos.

¿Cuáles fueron algunos momentos clave que impulsaron el proyecto?
A fines de la década de 1970, el grupo del MIT, que ahora incluye a Peter Saulson y Paul Linsay, realizó un estudio con la industria para determinar la viabilidad de construir un gran interferómetro de ondas gravitacionales a escala de kilómetros. El estudio analizó cómo hacer grandes sistemas de vacío y consideró cómo determinar los costos para ampliar los prototipos, los posibles sitios donde se podrían construir estructuras en forma de L de cinco a 10 kilómetros con un movimiento de tierra mínimo y la disponibilidad de óptica. y fuentes de luz. Examinamos las posibles fuentes de ondas gravitacionales y varios conceptos de interferómetros competidores que habían sido prototipos en diferentes laboratorios del mundo. La información se puso en un informe, llamado Libro Azul, y se presentó a la NSF en 1983. Científicos de Caltech y MIT presentaron juntos las ideas desarrolladas en el Libro Azul, así como los resultados de la investigación del prototipo.

La propuesta que presentamos fue hacer un sistema detector lo suficientemente sensible como para detectar ondas gravitacionales de una fuente astrofísica (no solo un nuevo prototipo). La propuesta era construir dos detectores. No podrías hacer ciencia con uno; tenías que tener dos detectores separados, igualmente sensibles y lo suficientemente largos.

El grupo MIT LIGO en 2016. Primera fila de izquierda a derecha: Haocun Yu, Ken Mason, Nergis Mavalvala, Maggie Tse, Rainer Weiss, Peter Fritschel, David Shoemaker, Hang Yu. Fila de atrás de izquierda a derecha: 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.

Eso fue una verdadera lucha más tarde. Querías mantener esas ideas, y la gente luego quiso reducirlas: ¿Por qué no simplemente construir una larga? ¿Por qué construirlo tanto tiempo? Se hicieron todos estos argumentos, pero aguantamos. Teníamos que hacerlo; de lo contrario, nunca hubiéramos sobrevivido y no estaríamos aquí hoy. Obtuvimos el respaldo del comité: una investigación arriesgada con la posibilidad de un resultado profundo, que bien vale la pena considerar como un nuevo proyecto de la NSF.

A mediados de la década de 1980, la NSF siguió tratando de descubrir cómo comenzar esto. Luego, en 1986, sucedió algo interesante que finalmente rompió el atasco. Richard Garwin, que había trabajado con Enrico Fermi [Premio Nobel de física de 1938] y con el Departamento de Energía, e hizo todos los cálculos y el desarrollo real de la primera bomba de hidrógeno, se había convertido en científico jefe de IBM. Había leído sobre los experimentos de Weber y decidió con otro asociado de IBM construir uno pequeño, mucho más inteligente que el que había construido Weber, y no vio nada.

La NSF estaba tratando de vender este enorme programa nuevo para ondas gravitacionales. Garwin se entera y pensó que había matado a este dragón. Escribió una carta a la NSF diciendo: Si vas a persistir con esto, será mejor que hagas un estudio real.

Así que hicimos un estudio en la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias en Beacon Street en Cambridge. Fue una reunión de una semana con un excelente comité de científicos intransigentes que revisaron la investigación que habíamos realizado con los prototipos, los estudios de factibilidad para hacer un sistema grande, los planes para ubicar el sistema y las estimaciones de costos. La recomendación que hizo el comité fue increíblemente buena: vale la pena hacer el proyecto, no lo divida en un detector a la vez, hágalo en toda su longitud, no más prototipos. También recomendó un cambio en la gestión del proyecto para tener un solo director en lugar de un grupo de dirección, que era la forma en que habíamos gestionado el proyecto hasta ese momento.

Para 1989, escribimos otra propuesta bajo la dirección de Rochus Vogt [un ex rector de Caltech], que nos llevó casi seis meses escribir: era una obra maestra. La propuesta era construir dos sitios con interferómetros de cuatro kilómetros de largo. Los interferómetros iban a ser escalonados. El primer detector se basó en la investigación, ahora razonablemente madura, de los prototipos con una sensibilidad que ofrecía una posibilidad plausible de detección. El segundo detector se basó en conceptos más nuevos y avanzados que aún no se habían probado por completo, pero que ofrecían la capacidad de una buena oportunidad de detección. La propuesta pasó por la Junta Nacional de Ciencias y fue aceptada, y el dinero comenzó a llegar en cantidades significativas.

Para la década de 1990, el resto de la historia es más fácil. Ahora, bajo la dirección de Barry Barish [un profesor de física de Caltech], los sitios se estaban construyendo y desarrollando, se fabricaron sistemas de vacío y comenzamos a ejecutar los primeros detectores. Para 2010, los habíamos ejecutado y realizado grandes mejoras en su sensibilidad, pero no habíamos visto nada. Era una nada limpia; los detectores funcionaron según el diseño y no vimos anomalías que pudieran interpretarse como ondas gravitacionales. Basándonos en el hecho de que [habíamos logrado la sensibilidad de diseño deseada] y habíamos llevado a cabo la ciencia para determinar algunos límites superiores interesantes sobre las posibles fuentes, recibimos fondos para construir Advanced LIGO.

El científico de LIGO y profesor del MIT, Nergis Mavalvala, abraza a Rebecca Weiss en el evento del MIT que anuncia el descubrimiento de las ondas gravitacionales. El presidente del MIT, L. Rafael Reif, acababa de dirigir a los reunidos en la Sala Bush para aplaudir a Weiss, diciendo... sin duda, este también ha sido el trabajo de su vida.

¿Qué tan trascendental es para ti este descubrimiento?
En cuanto a haber cumplido las ambiciones de muchos de los que hemos trabajado en esto, es trascendental. Es la señal que todos hemos querido ver, porque la conocíamos, nunca habíamos tenido una prueba real de ella, y es el límite de las ecuaciones de Einstein nunca antes observado: la dinámica de la geometría del espacio-tiempo en el fuerte campo [gravitacional] y límite de alta velocidad.

Para mí, es el cierre de algo que ha tenido una historia muy complicada. Las ecuaciones de campo y toda la historia de la relatividad general han sido complicadas. Aquí de repente tenemos algo a lo que podemos agarrarnos y decir, Einstein tenía razón. Qué maravillosa perspicacia e intuición tenía.

Siento una enorme sensación de alivio y algo de alegría, pero sobre todo alivio. Hay un mono que ha estado sentado en mi hombro durante 40 años, y ha estado parloteando en mi oído y diciendo: Ehhh, ¿cómo sabes que esto realmente va a funcionar? Has involucrado a un montón de gente. Supongamos que nunca funciona, ¿verdad? Y de repente, saltó. Es un gran alivio.

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