Pierwsza informacja o wykryciu fal grawitacyjnych pojawiła się w 1969 roku, czterdzieści siedem lat przed drugą, tą z lutego 2016 roku. Kontekst był zupełnie inny – konferencja poświęcona względności w Cincinnati w Ohio, a nie w Waszyngtonie – nieobecne media i tylko jeden, a nie 1005 autorów. A zatem badania „w starym stylu" i brak wątpliwości wobec tego, co w dzisiejszych czasach, jak się zdaje, przy takich okazjach pasjonuje wszystkich: kto dostanie Nobla, kiedy odkrycie zostanie potwierdzone. Człowiek, o którym mówimy, już raz stracił taką szansę. A było to w roku 1964, kiedy nagrodę przyznano za masery i lasery. Drugi Nobel go ominął, ponieważ nie udało się potwierdzić jego odkrycia fal grawitacyjnych. Mowa o Josephie Weberze, profesorze Uniwersytetu Marylandu w College Park na przedmieściach Waszyngtonu, fizyku, a także oficerze US Navy, weteranie walk na Pacyfiku i desantów w rejonie Morza Śródziemnego. O człowieku niezwykłym.

W 1956 roku Weber miał trzydzieści siedem lat i spędzał roczny urlop naukowy w Princeton, dokąd zaprosił go Freeman Dyson, jeden z wybitnych specjalistów elektrodynamiki kwantowej, pracujący w Institute for Advanced Studies. Weber chciał dowiedzieć się więcej o teorii względności. (...) Otóż właśnie Dyson, o czym Weber często wspominał, przekonał go, że być może istnieją wystarczająco silne źródła fal grawitacyjnych, by te mogły zostać wykryte na Ziemi. (...)

Sygnał wydobyty z szumu

Weber, który stał się zapalonym relatywistą, jako inżynier z wykształcenia myślał nad sposobami detekcji fal grawitacyjnych. Jednym z nich było wykorzystanie interferometru z laserem jako źródłem światła, jednak uczony uznał to za niewykonalne z przyczyn technicznych. (...)

Inny pomysł Webera był prosty i doskonale potwierdzony obliczeniami. Fala grawitacyjna rozciąga i spręża obiekty na swojej drodze; gdyby umieścić na tej drodze dzwon, zadzwoniłby jak uderzony młotem. Pod warunkiem że fala wywołałaby „wstrząs", który uderzyłby w dzwon, a częstotliwość fali byłaby bliska częstotliwości brzmienia dzwonu, jego „nuty". Wówczas fala weszłaby w rezonans z dźwiękiem dzwonu i wzbudziłaby trwałe wibracje – dzwon, jak każdy rezonator, zachowuje pamięć uderzenia. Daje to pewne korzyści, ale każdy medal ma dwie strony: nie poznaje się szczegółów informacji niesionej przez falę, jedynie jej energię. Jednakże w tamtych czasach – na początku lat sześćdziesiątych – była to jedyna osiągalna technicznie metoda, a i to nie bez problemów! Trzeba było wytrwałości i wyobraźni Josepha Webera, aby zmierzyć się z tym zadaniem. (...)

Niestety, powiewy fal grawitacyjnych są zdecydowanie za słabe, żeby mogły być słyszalne, ponieważ powodowane przez nie drgania cylindra nikną w szumach termicznych. W tym właśnie tkwi główny problem wykrywania fal grawitacyjnych: jak wydobyć sygnał z szumu? (...)

Pojawił się też inny, fundamentalny problem: jak odróżnić przejście fali grawitacyjnej od wibracji wywołanych przez źródło, które nie ma nic wspólnego z kataklizmem kosmicznym? Weber znalazł rozwiązanie: zamontował wiele prętów, wychodząc z założenia, że prawdopodobieństwo, by wahnięcie wystąpiło równocześnie we wszystkich cylindrach, jest praktycznie zerowe. A zatem jeżeli wszystkie pręty wykryją w tym samym momencie sygnał, ten musi być prawdziwy. Ale czy wyniknie on z przejścia fali grawitacyjnej? Po długiej serii testów Weber zdał sobie sprawę, że nie można tego rozstrzygnąć dopóty, dopóki wszystkie pręty znajdują się w tym samym miejscu. Dlatego zainstalował detektor w Laboratorium Narodowym w Argonne pod Chicago, w odległości tysiąca kilometrów od College Park w Marylandzie, gdzie znajdowało się już pięć cylindrów. W sumie sześć prętów Webera utworzyło pierwszą sieć detektorów fal grawitacyjnych. Sygnały odbierane przez jeden lub kilka walców w Marylandzie i ten z Argonne miały być dowodem przejścia fali grawitacyjnej, ponieważ prawdopodobieństwo innej przyczyny jest bardzo małe. Oczywiście, takie wykrycia nie miałyby być równoczesne, ale oddalone w czasie, przy czym byłby to odstęp rzędu 3 milisekund przy odległości 1000 kilometrów. (...)

W czerwcu 1969 roku, podczas konferencji relatywistycznej w Midwest (drugiej poświęconej wyłącznie teorii względności; pierwsza odbyła się w Chapel Hill w 1957 roku), Joseph Weber triumfalnie obwieścił odkrycie fal grawitacyjnych. Otrzymał gromkie brawa. Po dwóch tygodniach szczegóły odkrycia opublikowano w „Physical Review Letters". Autor przedstawił 17 przypadków koincydentnych wykryć fal, czasem potrójnych lub poczwórnych, przez pięć walców z Marylandu i ten z Argonne. Poziom fałszywych alarmów wahał się od 7 lat do 70 milionów lat, przynajmniej w niektórych pomiarach, toteż prawdopodobieństwo, by były przypadkowe, spadało praktycznie do zera. Nie istniały wtedy ani sieci społecznościowe, ani internet, to jednak nie przeszkodziło Weberowi z dnia na dzień zyskać sławy. Mówiono, że jest w dziedzinie grawitacji tym, kim Heinrich Hertz był w dziedzinie elektromagnetyzmu, że „otworzyło się nowe okno na Wszechświat" itp. Te podniosłe sformułowania niedawno powróciły...

W kolejnym roku Weber oznajmił, że fale grawitacyjne, które zarejestrował, pochodzą z centrum Galaktyki lub z przeciwnego kierunku (detektory nie pozwalały tego różnicować), ale centrum Galaktyki wydawało się bardziej prawdopodobnym miejscem usytuowania źródeł fal grawitacyjnych.

Kiedy Weber konstruował swój detektor, astrofizycy mieli słabe wyobrażenie o mechanizmie powstawania fal grawitacyjnych, wiedziano jednak, że musi to być proces, w którym grawitacja ciał niebieskich jest silna i podlega szybkim zmianom, co pozwala na wykonanie obliczeń rzędu wielkości. Silna grawitacja znaczy, że źródła muszą mieć zwartość tego samego rzędu co czarne dziury, czyli 3 kilometry na 1 masę słoneczną. Ponieważ grawitacja = geometria w teorii względności, można uznać, że względne deformacje geometrii są rzędu 1 przy tych odległościach, a więc około 10–17, jeśli do wydarzenia doszło w centrum naszej Galaktyki. (...)

W 1969 roku w Cambridge w Anglii Dennis Sciama, który miał dostęp do jeszcze nieopublikowanych danych Webera, wraz ze swym uczniem Martinem Reesem i Amerykaninem George'em Fieldem zauważył, że gdyby Weber miał rację, utrata energii przez fale grawitacyjne, a więc masy wedle wzoru E = mc2, zdestabilizowałaby Galaktykę, pozwalając gwiazdom z najdalszych rejonów opuścić ją z powodu osłabienia przyciągania grawitacyjnego przy malejącej masie centralnej. Otóż obserwacja ruchu gwiazd w Galaktyce wskazuje, że jej utrata masy jest mniejsza od 200 mas słonecznych rocznie, podczas gdy detekcja Webera sugerowałaby znacznie większe straty. To sprawia, że wyniki jego prac były mało wiarygodne.

Sciama i jego współpracownicy zachęcali więc innych badaczy do powtarzania doświadczenia Webera i wiele zespołów zaczęło konstruować „walce Webera".

Dla Webera wyniki ich prac okazały się fatalne. Najpierw Tony Tyson z Laboratoriów Bella w Murray Hill w New Jersey, a także James Levine i Richard Garwin z Centrum Badawczego IBM imienia Thomasa J. Watsona w Yorktown Heights w stanie Nowy Jork ogłosili w 1973 roku, że nie wykryli za pomocą walców żadnego sygnału. A potem zespoły z Moskwy, z Rochester w stanie Nowy Jork, z Bristolu i Reading-Rutherford w Anglii, z Glasgow, z Tokio, Pekinu i Kantonu, z Obserwatorium Paryskiego w Meudon (pod kierownictwem Silvana Bonazzoli) i wreszcie niemiecko-włoski zespół Garching-Frascati zgodnie potwierdzili niewykrycie fal grawitacyjnych za pomocą walców. Inne zespoły budowały wykrywacze kriogeniczne, ale te schłodzone walce również nie pozwoliły niczego znaleźć.

Wszyscy z wyjątkiem Josepha Webera byli przekonani, że rejestrowane przez nich sygnały nie mają nic wspólnego z falami grawitacyjnymi. W czerwcu 1974 roku, podczas piątej konferencji relatywistycznej w MIT, Garwin posunął się do nazwania Webera szarlatanem, kiedy okazało się, że nasz pionier, dostrzegłszy koincydencję z danymi zespołu z Rochester, pechowo zapomniał, że jego wyniki rejestrowano zgodnie ze standardowym czasem wschodnim, a te z Rochester zgodnie z GMT (czasem Greenwich). O mało nie doszło do rękoczynów („Pokażę panu, jak reaguje oficer marynarki, kiedy ktoś nazywa go szarlatanem!" – krzyknął Weber i przewodniczący obradom musiał ich na siłę rozdzielać).

Nie wstyd się przyznać

Tak czy inaczej, pomylenie godzin nie wyjaśnia innych „wykryć". Wciąż nie wiemy, skąd pochodziły sygnały, które wzbudziły walce Webera. Żaden inny rezonansowy detektor fal grawitacyjnych – a niektóre nadal funkcjonują – nigdy nie wychwycił sygnału astrofizycznego. W lipcu 1974 roku, czyli niespełna miesiąc po konferencji w MIT, Russel Hulse i Joseph Taylor odkryli pulsar (czyli gwiazdę neutronową mającą swe pole magnetyczne), składnik układu podwójnego, i wkrótce to oni zostali uznani za pierwszych odkrywców fal grawitacyjnych. W 1975 roku, gdy społeczność naukowa „opuściła" Webera, Freeman Dyson, ten, który dwadzieścia lat wcześniej zaprosił go do Princeton, napisał do niego: „Człowiek wielki nie boi się przyznać publicznie do pomyłki [...]. Jeżeli pan to zrobi, pańscy wrogowie się ucieszą, jednak nie tak bardzo jak pańscy przyjaciele". Weber nigdy się nie poddał i sam, bez finansowania, kontynuował prace nad walcem aż do śmierci, czyli przez ćwierć wieku.

Joseph Weber nie odkrył fal grawitacyjnych, jednak dzięki niemu, dzięki jego wizji i determinacji rozpoczęto doświadczalne poszukiwanie fal grawitacyjnych. Jego przykład zainspirował tysiące tych, którzy obecnie zajmują się tą dziedziną. A jeden ze słynnych cylindrów znajduje się w głównym budynku detektora LIGO w Hanfordzie. 

Nathalie Deruelle jest fizykiem teoretykiem, profesorem honorowym we francuskim Narodowym Centrum Badań Naukowych, autorką podręczników. Zajmuje się głównie ogólną teorią względności.?Jean-Pierre Lasota jest fizykiem teoretykiem i astrofizykiem, autorem ponad 250 prac naukowych i kilku książek. Profesor honorowy w Instytucie Astrofizyki w Paryżu i profesor zwyczajny w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie.

Nathalie Deruelle i Jean-Pierre Lasota, „Fale grawitacyjne. Nowa era astrofizyki", przeł. Krystyna Szeżyńska-Maćkowiak, Prószyński i S-ka, Warszawa 2019