Содержание
Гравитационные волны и космические аномалии
Некоторые наиболее странные и озадачивающие специалистов наблюдения Вселенной могут объясняться влиянием гравитационных волн.
TechInsider
Скорее всего, Вселенная родилась в результате Большого Взрыва, и с тех пор непрерывно расширяется во все стороны. Удаленные галактики всё удаляются от нас, и сегодня от взрыва осталось лишь «эхо» — реликтовое излучение. Оно также весьма равномерно распределено по всем направлениям, что говорит о том, что мы проживаем в более-менее обычной области пространства, ничем не отличающейся от прочих, о чем, впрочем, имеется и другое мнение — читайте: «Изменчивые постоянные».
Вообще, эта ясная и простая картина оказывается не так ясна, как хотелось бы. Взять хотя бы расширение Вселенной, которое, как показали не столь давние исследования, со временем не замедляется, а напротив, ускоряется. Или все-таки слабые, но не стоящие полного игнорирования свидетельства того, что реликтовое излучение в некоторых областях теплее, чем везде — эти области получили неформальное название «Ось зла».
Ни тем, ни другим наблюдениям до сих пор окончательного объяснения не дано. Приходится ограничиваться лишь предположениями на тему, скажем, наличия темной энергии, отрицательное давление которой заставляет Вселенную не замедлять, а ускорять расширение. Часто такие предположения вообще странно высказать, ведь если у Вселенной, как в случае «Оси зла» есть некоторые «особые» направления, значит, законы и константы физики тоже не везде одинаково соблюдаются?.. Предположить такое непросто.
Однако с простым и интересным объяснением выступил недавно Эдмунд Шлюссель (Edmund Schluessel): он предположил, что все эти неоднородности — в определенном смысле, иллюзии, вызванные искажениями пространства-времени между наблюдателем и наблюдаемыми объектами. А искажения, в свою очередь, создаются гравитационными волнами, «рябью» гравитационного поля, которую вызывают некоторые мощные процессы — такие, как столкновения черных дыр, невероятно быстрое вращение пары нейтронных звезд или сам Большой Взрыв.
До сих пор специалисты концентрировались, в основном, на исследовании свойств гравитационных волн сравнительно малой длины. Но Шлюссель предлагает рассмотреть вариант, в котором во Вселенной имелись бы гравитационные волны колоссальной протяженности, сравнимой с размерами самого мироздания, порядка 1010 световых лет. Те самые, которые мог создать Большой Взрыв, и которые медленно колеблют ткань пространства-времени с тех давних пор.
Проведенные ученым расчеты показывают, что присутствие таких гравитационных волн неминуемо вносило бы искажения в наблюдаемый микроволновый фон реликтового излучения, причем во многом похоже на то, как оно наблюдается в действительности. Более того, гравитационные волны искажали бы и приходящий от особенно далеких источников свет так, что нам казалось бы, будто объект удаляется от нас тем быстрее, чем дальше расположен. Шлюссель резюмирует: «Сильные крупномасштабные гравитационные волны могут объяснить расширение Вселенной в контексте Общей теории относительности и без привлечения экзотических форм материи — таких, как квинтэссенция (одна из форм интерпретации темной энергии — ПМ)».
Что и говорить, объяснение и впечатляюще, и привлекательно — если только окажется правомерным. В конце концов, и сами гравитационные волны до сих пор никому обнаружить не удалось, хотя попыток предпринималось и предпринимается немало. Читайте об их поисках: «Рябь пространства-времени».
По публикации MIT Technology Review / Physics ArXiv Blog
Ложь о гравитационных волнах
гравитационные волны обман. Открытие гравитационных волн в проекте LIGO (США) – это блеф
В.М.Соколов, НИИ атомных реакторов, г. Димитровград
По мнению релятивистов (сторонников теории относительности) гравитационные волны — это рябь на поверхности кривизны, на ткани пространства-времени, которая распространяется со скоростью света [1]. Они якобы предсказаны А. Эйнштейном в общей теории относительности. Гравитационная волна (ГВ) растягивает и сжимает пространство. Если в ее поле есть две разнесенные системы координат, то волна вызывает их относительное колебательное движение.
У ГВ возможны две поляризации. В первой волна в течение полупериода сжимается по вертикали и растягивается по горизонтали, в следующий полупериод — наоборот. Вторая возможная поляризация сдвинута на 45° по отношению к первой. Во времени ГВ — это длинный или короткий волновой пакет. В его форме заключена информация об источнике.
На основе этих предположений созданы приборы для регистрации ГВ. Исследователи полагают, что хорошая чувствительность уже достигнута. На прием ГВ рассчитаны проекты LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) – лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория — изначально национальный проект США, стоимостью в миллиард долларов, рис.1. VIRGO — изначально итало-французский проект.
Рис. 1.1. Вид одной обсерватории LIGO
Рис. 1.2. Вид еще одной обсерватории LIGO
Существуют и более скромные антенны в Германии — GEO-600, Японии — ТАМА. LIGO/VIRGO — это, по существу, сеть антенн относительно высокочастотного диапазона.
Она включает две антенны LIGO — одна в Хэнфорде, другая в Ливингстоне (обе в США) и антенну VIRGO недалеко от Пизы (Италия).
Несколько чисел для иллюстрации: утверждается, что при длине плеч 4 км между зеркалами в интерферометре Майкельсона (LIGO) и амплитуде волны 10-22 величина амплитуды колебаний зеркал составляет 10-19м при оптимальной ориентации плеч антенны относительно источника. Cообщается, что впервые с помощью этих антенн 14 сентября 2015 г в прямом эксперименте были зафиксированы ГВ от двух слившихся черных дыр [2]. Это открытие вызвало эйфорию по всему миру.
Однако данное сообщение — это очевидная ложь и обман научной общественности, что непосредственно следует из анализа чувствительности интерферометра Майкельсона, используемого в этих целях [3]. Оценки его чувствительности показывают, что она завышена на 10 — 12 порядков и совершенно недостаточна для регистрации ГВ от космических объектов. гравитационные волны обман
Интерферометр Майкельсона, по сути, служит микроскопом для световых волн.
Он переводит недоступные для наблюдения длины волны света в их изображения: в виде чередующихся полос, или в виде — окружностей (в зависимости от его настройки), рис.2. Расстояние между ними равно половине длины волны света.
Рис.2. Картины интерференции световых волн
Чтобы оценить абсолютную чувствительность интерферометра необходимо узнать, с какой точностью можно измерить расстояние между полосами. Практически это можно сделать с относительной точностью не выше 10-3, так как они сильно размыты (см. рис. 2) и невозможно точно указать их положение.
Следовательно, абсолютная чувствительность интерферометра не зависит от его длины. Использование в LIGO лазера с длиной волны в один микрометр обеспечивает ему чувствительность ~ 10-9 м (ниже рекламируемой — на 10 порядков), и это при полном отсутствии шумов, которых в действительности огромное количество. Отношение этой величины к длине интерферометра определяет его относительную чувствительность ~ 10-13, но никак не 10-22.
Исследователи, числом более тысячи, абсолютно не понимают принципа работа интерферометра, считая, что чем он длиннее, тем он более чувствителен [4]. При его разработке выбрали длину в пределах прямой видимости (планировали еще больше), чтобы уменьшить его запредельную стоимость.
В действительности, его эффективная длина определяется длиной когерентности световых лучей, которая для используемого лазера составляет всего 5 м. Бессмысленно удлинять сверх этой величины его плечи, так как лучи после прохождения этого расстояния становятся некогерентными и не дают вклад в интерференционную картину.
Таким образом, реальная относительная чувствительность интерферометра еще меньше на три порядка, и не может составлять величины более 10-10 (на 12 порядков меньше рекламируемой), что абсолютно недостаточно для регистрации гравитационных сигналов от космических катастроф.
Этого не понимают идеологи проекта и, тем более, менеджеры, обеспечивающие его финансирование.
Вполне возможно, что размеры интерферометра выбраны сознательно — на маленький объект не получить больших денег. Физики привыкли свое незнание компенсировать огромными вложениями средств, примеров тому масса.
Заявление об открытии ГВ — это пиар компания руководителей проекта LIGO, преследующая определенные цели. Вероятнее всего, им необходимо сохранить финансирование столь затратного проекта — миллиарды долларов. Может быть, интерферометр имеет двойное назначение, а может быть, что-то еще — нам неизвестное.
Ясно одно, никакого открытия гравитационных волн не было и не могло быть!
Тем не мене, по всему миру принялись сооружать подобные интерферометры. Например, академик В.И. Пустовойт приветствовал это немыслимое открытие, сделав доклад на президиуме Российской академии наук, и поместив статью в журнале Успехи физических наук [см. 4]. Он сожалеет, что в нашей стране не нашлось денег на реализацию столь гиблого проекта.
Более того, речь может идти только о регистрации ГВ, они уже давно наблюдаются в экспериментах, но не признаются академической наукой, так как оценки их мощности противоречат выводам теории относительности. гравитационные волны обман
К сведению, теория относительности – основа современной физики – также была создана на основе опыта Майкельсона — Морли (принцип работы интерферометра не понят до сих пор), отрицающего существование в природе эфира. В действительности, новые гипотезы для его объяснения не требуются.
Теория относительности надумана и не имеет ни одного опытного подтверждения [5]. Все ее громкие заявления, основаны на лжи и подлоге, пример – открытие ГВ в проекте LIGO.
В частности, ГВ были зафиксированы в Научно-исследовательском институте атомных реакторов (и не только в нем), расположенном в городе Димитровграде [6].
Любые силы в природе могут быть вызваны только движением материи. Гравитация же порождена потоком энергии из эфира, поступающего во все материальные тела, а не надуманным искривлением пустого пространства, следующим из теории относительности. Кто бы знал, как это возможно в пустом пространстве, что-то искривлять?
Поток энергии к Земле ~ 1. 9∙109 Вт/м2, оцененный на основе постоянной Хаббла, оказывает давление на все тела и создает ускорение свободного падения g = 9,8 м/с2.
Распад урана в атомном реакторе должен сопровождаться возникновением гравитационных и электромагнитных волн, так как продукты реакции испытывают большие ускорения. При этом, можно считать, что мощность ГВ, покидающих реактор, равна его тепловой мощности. ГВ от реактора практически свободно излучаются в пространство, в силу очень малого коэффициента поглощения.
Однако из-за большого значения потока, он также создает ускорение, которое можно оценить из их сравнения. Зная это ускорение, можно разработать преобразователь для его регистрации. гравитационные волны обман
Детектор гравитационных волн выполнен в виде отвеса, груз которого свободно подвешен на двух металлических нитях, в целях уменьшения поперечной чувствительности. Отвес укреплен на высоте 1.5 м от уровня земли на капитальной железобетонной стене толщиной 1. 5 м. Расстояние от реактора мощностью 9 МВт — около 34 м. Между отвесом и реактором находится еще несколько железобетонных стен общей толщиной около 5 м.
Кроме того, реактор расположен ниже уровня земли, поэтому незначительные излучения от него (кроме гравитационных волн) поглощаются, и на отвес не поступают. Цель эксперимента — подтверждение высказанной гипотезы, что атомный реактор является источником гравитационных волн.
Оценки показывают, что плотность потока мощности ГВ возле отвеса составляет ~ 600 Вт/м2. Под действием этого потока груз отвеса должен перемещается на величину ∆х = 1.6∙10-7 м. Измерение этого отклонения осуществляется с помощью конденсатора, одна обкладка которого заземлена, а вторая связана с грузом отвеса.
Электронная схема обеспечивает запись величины перемещения груза на потенциометре. Чувствительность этого метода измерений оценивается величиной, К = 3.5 мВ/мкм. Следовательно, ожидаемый уровень сигнала должен составить величину А = К·∆х = 0. 55 мВ.
На рис. 3.а показана запись сигналов детектора при работе реактора на мощности и его остановке. Вертикальные линии на диаграммной ленте расположены через 0.5 ч, а горизонтальные – через 0.1 мВ. Запись произведена слева направо.
а б
Рис. 3. Запись сигналов после остановки (а) и пуске (б) реактора
Время начала остановки и пуска реактора указаны стрелками.
До остановки реактора имеется небольшой дрейф сигнала, который может быть вызван многочисленными причинами в виду высокой чувствительности детектора. Увеличение пульсаций сигнала (в левой части рисунка) связано с влиянием ветра, который приводит к колебаниям стен здания и детектора, несмотря на то, что стены здания заглублены в земле на 12 м. После начала остановки реактора наблюдается перелом графика, свидетельствующий об уменьшении давления ГВ на груз отвеса.
Изменение амплитуды сигнала составляет 1.2 — 1.4 мВ, в переводе на смещение груза ~ 0. 4 мкм. Это примерно в 2 — 3 раза больше полученной ранее оценки (0.55 мВ). Сигналы одного порядка с их оценкой, и это можно считать хорошим признаком, так как точность оценок низка из-за неопределенности некоторых величин.
Перемещение груза отвеса после остановки реактора соответствует уменьшению на него давления и направлено к реактору. После пуска реактора (рис. 3.б) наблюдается увеличение амплитуды сигнала примерно на такую же величину. Несмотря на довольно большое расстояние между реактором и детектором им фиксируются. предпусковые работы.
Это колебания низких частот, распространяющиеся по элементам конструкций, так как детектор и реактор расположены в одном здании. Односторонний импульс связан с перемещением мостового крана. Ввиду высокой чувствительности, данный детектор регистрирует также практически все землетрясения, магнитудой выше 6 баллов, независимо от расстояния до очага их возникновения. Например, зафиксированы землетрясения в Чили, Японии, Новой Зеландии, и т. д.
Указанные зависимости сигналов неоднократно повторялись при периодических пусках и остановках реактора, поэтому их можно считать достоверными. В данном случае только гравитационные волны могут проникать сквозь многочисленные препятствия и оказывать давление на детектор.
Ранее, 20 марта 2015 г. этим детектором регистрировались сигналы солнечного затмения, наблюдавшегося на территории ульяновской области [7].
Существующие в физике воззрения на природу гравитации ложные, так как основаны на несостоятельной теории относительности, якобы позволяющей предсказать природу ГВ и постулировать их скорость, равную скорости света.
Между тем, существование ГВ следует уже из теории И. Ньютона, причем мощности одних тех же источников на многие порядки превосходят оценки, сделанные по формулам теории относительности [см. 5]. Исходя из экспериментальных оценок воздействия потока ГВ на препятствия, можно заключить, что в земных условиях вполне реально создавать достаточно мощные источники ГВ в целях их исследования и даже практического применения. гравитационные волны обман
Литература
1. Кип Торн. Черные дыры и гравитационные волны. Вестник российской академии наук.том 71, № 7, стр. 587-590, 2001.
2. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole MergerB. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11. February 2016.
3. Соколов В.М. К регистрации гравитационных волн. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. № 6. (часть 3). 2016. С. 441-444.
4. Пустовойт В.И. О непосредственном обнаружении гравитационных волн. УФН. т.186, №10. Октябрь 2016. С. 1133.
5. Соколов В.М. О несостоятельности теории относительности А. Эйнштейна. Издательство: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2014.
6. Соколов В.М. Регистрация гравитационных сигналов от работающего атомного реактора. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. № 9, (часть 2). 2016. С. 190-193.
7. Соколов В.М. Регистрация гравитационных сигналов солнечного затмения 20 марта 2015 г. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 10, (часть 4). С. 625.
гравитационные волны обман
Астрофизики, которые притворялись
В 2:40 меня разбудил телефон. По крайней мере, один из нас всегда был на смене, и в ту ночь в сентябре 2010 года я вызвался отвечать на автоматические текстовые сообщения из нашей системы оповещения.
Будучи в то время аспирантом, я (Джона) помог создать первый программный конвейер быстрого реагирования для двух гравитационно-волновых обсерваторий, названных LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) и Virgo. Эта система была разработана для поиска астрофизических сигналов в данных по мере их поступления, чтобы предупредить людей, которые могли проверить, кажется ли сигнал достоверным, и при необходимости поделиться сообщением с астрономами по всему миру. Каждое предупреждение имело возможность положительного обнаружения — первое прямое наблюдение человечеством волн, проходящих через ткань пространства-времени, предсказанное Эйнштейном в 1919 году.16.
Я встал с кровати и с заспанными глазами направился к небольшой рабочей станции, которую мы держали в нашей квартире. Я этого не знал, но тревога стала началом профессиональных и эмоциональных американских горок. Я вошел в нашу базу данных событий и начал просматривать графики. Я недолго оставался с сонными глазами. Графики показали необычно громкий сигнал. Что еще более драматично, форма волны показала «щебетание», которое мы все надеялись увидеть, что-то характерное для излучения гравитационных волн от пары черных дыр, которые скручиваются по спирали, а затем сливаются. Чириканье было мне знакомо по симуляциям, но никто никогда не видел, чтобы оно появлялось естественным образом. Я подключил наушники и переключился на телефонную конференцию.
Джеки Феррентино
Девять из нас — разбросанные по Соединенным Штатам и Италии — начали обсуждать результаты, борясь с чем-то слишком хорошим, чтобы быть правдой. Наши сердца бились. Нам нужно было быстро принять решение. Если этот драматический сигнал был какой-то ошибкой, то ему незачем было идти дальше. Примерно через 30 минут обсуждения мы согласились, что сигнал кажется достоверным, и нажали кнопку, которая побудила группу автоматических телескопов обратить свой взор на местонахождение источника. Наши заметки в журнале, обычно сухие, отражали то, о чем мы все думали той ночью: «Захватывающе!!!!! Очень сильное знаменательное событие…»
Предсказание Эйнштейна о существовании гравитационных волн десятилетиями обсуждалось физиками-теоретиками. Только в 1960-х годах он был окончательно принят. Спустя полвека до сих пор не было ни одного прямого их обнаружения. Сегодня вечером казалось, что все может измениться, и что я буду частью открытия.
А может и нет.
Ты помнишь свою последнюю пожарную тревогу? Был ли напряженный момент, когда вы спросили себя, а что, если это правда? Эта мысль пронеслась у всех нас в ту сентябрьскую ночь.
Примерно за год до этого, осенью 2009 года, коллаборации LIGO и Virgo договорились о создании механизма, с помощью которого можно было бы подделывать наши собственные данные. Мы создали небольшую команду, которая имела право тайно добавлять смоделированный сигнал в наши детекторы гравитационных волн, а затем скрывать этот факт от остальных.
Поначалу это может показаться излишне мазохистским поступком. Измерить рябь, искажающую пространство-время меньше, чем диаметр протона, достаточно сложно. Зачем, кроме всего прочего, мы пытаемся обмануть самих себя?
Чтобы понять ответ, подумайте, каково это быть ученым на пороге чего-то великого, кем-то, для кого участие в новом открытии — одно из величайших впечатлений. Возможность узнать что-то новое о Вселенной, увидеть то, чего никто раньше не видел, — невероятный мотиватор. Это одна из причин, по которой люди в первую очередь выбирают карьеру в науке, и это заставляет нас работать в ночную смену и по выходным из года в год. Крупное открытие также меняет карьеру и репутацию как исследователей, так и учреждений.
Проблема в том, что эти высокие ставки не всегда хорошо сочетаются с процессом обнаружения и подтверждения, который часто является подробным, техническим, утомительным и тонким. В современном сложном эксперименте отличить новую науку от артефакта прибора или рутинного явления может быть далеко не очевидно. Наша коллаборация приняла решение, что момент потенциального открытия — когда эмоции накаляются и на карту поставлена репутация — не время определять процедуру подтверждения потенциально крупного научного открытия. Это время должно наступить раньше, во время учений.
Основные правила бурения LIGO/Virgo были просты: нам сказали, что небольшое количество (возможно, ноль) смоделированных сигналов гравитационных волн (аппаратных инъекций) будет добавлено к данным во время нашего сеанса наблюдений в 2010 году. Каждый эксперимент искал гравитационные волны, отслеживая расстояние, разделяющее две удаленные массы. Если волна пройдет, эти расстояния сократятся или увеличатся. Аппаратные инъекции имитировали крошечное изменение расстояния разделения, мягко подталкивая одну массу мерцающим магнитным полем, заставляя ее качаться на миллионную-миллионную-миллионную долю метра. Результирующий всплеск в основном канале данных будет выглядеть как ожидаемый сигнал от слияния пар черных дыр или нейтронных звезд.
В науке вопрос о том, когда верить, является глубокой и древней проблемой.
Нас не предупредят заранее и не скажут потом — по крайней мере, какое-то время. Только очень небольшая группа «слепых инъекций», поклявшихся хранить тайну, могла знать время и характер инъекций. В команду входило около пяти человек — тех, кто обладал техническим ноу-хау для выполнения инъекций. Даже большая часть высшего руководства будет оставаться в неведении. Слепые инъекторы оставят улики в закрытых каналах данных, на которые остальным из нас было приказано не смотреть, честное слово.
У тех из нас, кто не входил в группу слепых инъекторов, был только один выбор: обращаться с данными как с реальными. Это действительно запутало наши умы. На первый взгляд, это был сигнал, который мы пытались найти более 20 лет. Если сигнал был реальным, наша задача заключалась в том, чтобы как можно быстрее проанализировать его, сжигая свечу с обоих концов.
Но мы также знали, что существует реальная вероятность того, что это подделка. Команда аппаратных инъекций может втайне смеяться над нашим энтузиазмом. Представьте себе, что вы делаете ставку на картину за 100 миллионов долларов, при этом не будучи уверенным, что это подделка. Мы работали так усердно, как никогда в жизни, и каждый день балансировали между возбуждением и истощением. Эти усилия действительно окупятся, или все это было большой шуткой?
ЭТО ПРИШЛО ИЗ КОСМОСА: На этой карте южного полушария показан источник гравитационных волн, обнаруженный 14 сентября 2015 года. Цветные линии обозначают разные уровни достоверности: фиолетовый — 90%, желтый — 10%. созвездие Большого Пса (и потому, что в то время Сириус Блэк из Гарри Поттера был очень популярен). В течение следующих шести месяцев мы работали над данными и провели ряд проверок оборудования. Мы разработали новые инструменты анализа и попытались выяснить, было ли это событие вызвано приборным или другим наземным шумом. Данные прошли все тесты.
Мы написали исследовательскую работу; один из нас (Алан) был председателем группы анализа данных и редактором газеты. Мы мучились над словами в заголовке статьи: «Первое обнаружение? Первое наблюдение? Открытие? Доказательства для? Можем ли мы действительно заявлять о «первом обнаружении», если уже существует Нобелевская премия 1993 года? Наше сотрудничество было большим, и спектр мнений был широким. Некоторые хотели быть предельно осторожными и заявлять только о «доказательствах», а не об «обнаружении». Некоторые настаивали на том, чтобы мы отложили публикацию, пока не увидим больше событий. Другие хотели быть смелее; они чувствовали, что у нас достаточно уверенности, чтобы избежать двусмысленности или нерешительности в отношении нашего заявления.
Приняли участие сотни коллег; к каждому слову прилагались бесконечные дискуссии и споры. Заставить 700 скептически настроенных ученых согласиться со всеми словами в статье и с требуемым уровнем достоверности было огромной задачей со сложной социологией. (На самом деле один социолог — Гарри Коллинз — написал две книги о борьбе сообщества гравитационных волн за принятие или отвержение различных заявлений об обнаружении.) В конце концов мы остановились на названии «Доказательства прямого обнаружения гравитационных волн». Волны от двойного слияния черных дыр». Вы почти можете услышать компромисс в этом названии.
В марте 2011 года мы собрались в отеле недалеко от Аркадии, штат Калифорния, чтобы просмотреть все доказательства и проект статьи и проголосовать за ее отправку в журнал. В зале было более 300 человек и еще около сотни подключено через интернет. Мы принесли много шампанского. Мы обсудили. Мы проголосовали за одобрение проекта документа. Были произнесены речи, воспевающие долгий путь, который мы прошли, от создания невероятных детекторов до обнаружения сигнала и, наконец, выполнения всей процедуры для заявления об обнаружении. Мы открыли шампанское.
Затем на сцену вышел Джей Маркс, директор лаборатории ЛИГО, который более полугода носил в кармане изодранный конверт. Он собирался вскрыть конверт и сообщить нам, было ли все это мошенничеством.
Если вы пришли с работы и заявили: «Сегодня я видел, как по небу летела стая гусей», вряд ли кто-то усомнится в вас. Но что, если вы скажете: «Сегодня я видел драконов, летающих по небу». Ваша семья примет вашу историю? Сколько доказательств вам потребуется? Что делать, если вы действительно видел драконов, но это было разовое событие?
Мы готовились объявить о положительном обнаружении гравитационных волн на основе одного события. Мы не знали, насколько редкими будут волны — вполне возможно, что они будут настолько редкими, что следующее событие не произойдет в нашей жизни. Сколько доказательств будет достаточно? Общее правило в физике заключается в том, что новое открытие требует уровня доказательств «5 сигма», что означает, что событие вряд ли будет флуктуацией шума, с достоверностью более 99,9999 процента. Мы подсчитали, что наше событие-кандидат было «громче», чем самые громкие и самые редкие шумовые колебания, с которыми мы могли столкнуться за тысячи лет наблюдений LIGO и Virgo.
Пока все хорошо. Но количественная оценка доказательств того, что сигнал не был шумом, — это не то же самое, что количественная оценка уверенности в том, что это был реальный сигнал. На самом деле, поскольку никто никогда непосредственно не видел гравитационную волну, у нас не было реального способа выразить свою уверенность в том, что она реальна. Возможно, гравитационных волн не существует, и мы не могли обнаружить астрофизических сигналов. Если бы вы в это верили, вы бы отклонили наш сигнал из-за шума или неисправности, как бы маловероятно это ни было.
В науке вопрос о том, когда верить, является глубокой и древней проблемой. Универсального ответа не существует, и оценка достоинств любого потенциального открытия всегда включает в себя рассмотрение прежних убеждений вовлеченных в него людей. Обойти это невозможно.
Итак, каковы были наши прежние убеждения? К 1975 году появились четкие и убедительные доказательства существования гравитационных волн из наблюдений радиоастрономов Рассела Халса и Джозефа Тейлора (получивших Нобелевскую премию по физике 1993 года за свою работу). Они наблюдали пару компактных нейтронных звезд, вращающихся вокруг друг друга и теряющих орбитальную энергию. Теория Эйнштейна предсказывала, что гравитационные волны будут уносить орбитальную энергию, точно воспроизводя то, что видели Халс и Тейлор. Таким образом, данные радиоастрономии сделали возможным существование гравитационных волн.
Мы были менее уверены, что у нас есть чувствительность оборудования, необходимая для их измерения. В 2010 году детекторы LIGO и Virgo были «первооткрывателями»: мы предполагали, что они будут недостаточно чувствительными для обнаружения гравитационных волн от сливающихся двойных звезд, но они дадут нам бесценную информацию для разработки передовых детекторов следующего поколения. Мы также знали, что как обсерватории, так и их земная среда имеют множество нарушений поведения, которые могут, пусть и очень редко, производить то, что может показаться внеземным сигналом гравитационных волн. Наши поисковые пайплайны были достаточно сложными, чтобы иметь редкие виды отказов.
Нас может ждать Нобелевская премия.
Таким образом, наши прежние убеждения были смешанными. Эта смесь, как правило, создавала два проблематичных подхода к интерпретации вновь наблюдаемого (и, возможно, фальшивого) события: попытка уничтожить его (если нельзя показать, что оно ложное, значит, оно должно быть реальным) и попытка возвысить его (если оно действительно что-то новое, мы не можем быть уверены в том, что ищем, поэтому давайте будем широко открывать глаза и искать все, что пахнет настоящим). Оба подхода опасно предвзяты, потому что оба предпочитают искать один тип доказательств и игнорировать другой. Наша настоящая цель состояла в том, чтобы свести к минимуму предвзятость и избежать преднамеренного убийства или возвышения чего-либо.
В этом заключалась гениальность фальшивой инъекции сигнала: каким бы ни было предыдущее убеждение отдельного ученого, оно давало ему или ей основания сомневаться в нем. Ученый, который считал, что нынешнее поколение инструментов просто не подходит для этой задачи, должен был допустить такую возможность. Ученый, испытывающий искушение повысить уровень сигнала из-за преимуществ реального обнаружения, должен умерить свой энтузиазм, чтобы избежать ложных заявлений. Фальшивая инъекция жупела заставила нас быть непредвзятыми, применять скептицизм и разум и проверять доказательства по номинальной стоимости.
Итак, когда Джей Маркс открыл свой конверт в Аркадии в 2011 году и сказал всем нам, что Большой Пёс — это Большая Фальшивка, и что мы только что завершили первое успешное учение по обнаружению огня в истории наблюдения за гравитационными волнами, мы по-прежнему относились к этому как к момент торжества. Мы подняли бокалы с шампанским и отпраздновали наш фальшивый успех. Это было странное, пустое чувство. Но очевидно, что Большой Пёс вызвал шквал работы, в том числе большие шаги вперёд в нашей способности измерять массы объектов-источников (нейтронной звезды или чёрной дыры), используя только сигнал гравитационных волн. Что наиболее важно, в ходе нашего сотрудничества мы впервые договорились о том, какие стандарты мы будем использовать и как свести к минимуму наши предубеждения. Впервые мы решили, что у нас достаточно улик для обнаружения.
Трудно представить, насколько это важно. Некоторые эксперименты с гравитационными волнами в прошлом страдали из-за завышенных требований, а сотрудничество LIGO/Virgo разрослось до такой степени, что консенсуса по стандартам было трудно достичь. До 2011 года не было ясно, будет ли достаточным любой уровень доказательств.
Теперь — наконец — ложный сигнал заставил нас чувствовать себя готовыми к настоящему успеху.
В сентябре 2015 года, почти ровно через пять лет после Большого Пса, наше конвейерное оповещение с малой задержкой снова сработало. На этот раз его впервые заметили исследователи из Института Альберта Эйнштейна в Ганновере, Германия, которые отправили электронное письмо со словами «очень интересное событие» в теме всей коллаборации. Я помню, как включил свой компьютер и обнаружил, что мой почтовый ящик трещит по швам. Я отказался от писем и позвонил коллеге. Он указал мне на страницу результатов, созданную с помощью компьютерного кода, который я помог написать, который показывал очевидный сигнал щебетания. Я получил озноб. Я закрыл глаза и посмотрел еще раз. Я встал и зашагал по комнате. «В чем дело?» жена спросила меня. — Ну, я не уверен, — сказал я. «Но я думаю, что мы нашли гравитационную волну».
С 2010 по 2015 год детекторы Initial LIGO в обсерватории LIGO в Хэнфорде и обсерватории LIGO в Ливингстоне были демонтированы, а на их место были построены и установлены детекторы Advanced LIGO. Эти новые детекторы включали в себя ряд усовершенствований, направленных на повышение чувствительности инструментов и повышение вероятности обнаружения. Усовершенствования включали зеркала большего размера, более мощные лазеры и активные контуры обратной связи для лучшей сейсмоизоляции. Вместо того, чтобы подвешивать испытательные массы на проволоках, они теперь подвешивались на тонких стеклянных нитях, устойчивых к тепловым колебаниям. Улучшения были разработаны, чтобы увеличить охват LIGO в 10 раз и, таким образом, в тысячу раз увеличить объем пространства, в котором можно искать редкие события.
Мы знали, что существует реальная возможность того, что это подделка.
Мы начали инженерный запуск (предназначенный для проверки наших инструментов, а не для сбора данных) в конце августа 2015 г. и планировали официально начать наш первый сеанс наблюдений 18 сентября. Во время инженерного запуска не будет слепых инъекций. . К 12 сентября детекторы уже работали бесперебойно и с хорошей чувствительностью; поэтому мы оставили их в покое, чтобы наблюдать за небом.
Хорошая вещь. Ранним утром 14 сентября 2015 года наши детекторы и связанное с ними программное обеспечение поискового конвейера идентифицировали событие, согласующееся со слиянием двойных черных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет. Он был громким и явно несовместимым с детектором или наземным шумом, с достоверностью выше 9 баллов.9,9999 процента. Вау… так быстро после включения и так громко; неужели природа действительно была так добра? Мы назвали его GW150914.
Но — неужели это слепая инъекция, хотя ее и не должно было быть? В течение нескольких часов многие из нас (включая Алана) собрались по телефону, чтобы обсудить это. Майк Лэндри, один из членов «группы слепых инъекций» 2010 года, присутствовал и сказал, что для инженерного прогона не было созвано никакой группы слепых инъекций, и что это не было слепой инъекцией. Если бы это открытие было сделано несколькими днями позже, во время нашего наблюдательного цикла, группа слепых инъекций, возможно, была бы активна, и он мог бы поклясться хранить тайну. Но в то время слепые инъекции были просто невозможны. Тем не менее, мы сомневались в нем. Мы попросили посмотреть секретный канал данных слепой инъекции. Ответ: «Идите вперед».
Найдите подделку: Поддельный (слева) и настоящий (справа) сигналы гравитационных волн 2010 и 2015 годов соответственно. Данные группы LOSC и научного сотрудничества LIGO
Мы посмотрели и ничего не нашли. Физик, отвечающий за аппаратные инъекции, Джефф Киссел, записал в нашем электронном бортовом журнале: «Во время события-кандидата G184098 не было НИКАКИХ переходных инъекций». Это была его самая короткая запись в электронном журнале. Позже он получил награду за лучший электронный журнал года.
Хорошо. Но могло ли это быть изгой инъекции? Возможно, какой-то знающий, но недовольный коллега или бывший сотрудник затаил обиду и знал, что ложная инъекция действительно причинит страдания его или ее бывшим коллегам. Это было бы не так просто сделать или исключить. Мошенники должны были сделать много вещей правильно. Форма волны сигнала должна быть точно правильной; инжекции в наших двух детекторах (разнесенных почти на 2000 миль) должны были бы быть совершенно когерентными по времени, амплитуде и фазе; и все каналы данных, секретные или нет, должны быть продезинфицированы, чтобы не оставить следов. Мы проверили десятки каналов передачи данных. Не было обнаружено ничего, что соответствовало бы какой-либо аппаратной инъекции.
Мы позволили себе сделать вывод, на который мы надеялись: это не учения. Итак, анализ начался. Наша отправная точка? Событие обнаружения 2010 года. Мы повторно использовали контрольный список обнаружения за тот год и адаптировали нашу старую структуру комитета по обнаружению к новым данным. Мы применили то, что узнали об оценке параметров (наша способность измерять массы, спины и другие характеристики бинарного слияния).
Из первых дней открытия в 2015 году мы помним удивительное спокойствие. Во время сильного давления наши коллеги следовали процедуре, усердно работали и добились выдающихся результатов. Это была самая большая награда пожарных учений 2010 года: мы получили опыт работы с важными данными, доверяя процессу, доказательствам и нашим коллегам. Если бы мы впервые столкнулись с «настоящим» сигналом, сомнения, беспокойство, тревога и философские споры могли бы помешать нам когда-либо с уверенностью сказать «это реально». Научившись создавать доказательства того, что мы нашли фальшивый сигнал, мы научились находить настоящий. Учения по обнаружению пожара научили нас, как использовать набор доказательств, чтобы поверить в нечто экстраординарное.
Интересно, однако, что вопрос «когда у нас будет достаточно улик?» снова встал на ноги. Некоторые исследователи утверждали, что мы не должны заявлять об обнаружении, пока не увидим второе слияние черных дыр! Если мы никогда не увидим второго, подумалось нам, как мы можем знать, что первый не был какой-то случайностью? Это обсуждение было спорным и было связано с тем фактом, что современные детекторы только начали работать. Некоторые люди утверждали, что нам нужно было получить больше опыта работы с новыми детекторами, чтобы понять шум и особенности детектора. Другие указывали, что если мы получили один реальный сигнал всего за несколько дней наблюдений, скорость, вероятно, была достаточно высокой, чтобы мы могли ожидать увидеть больше. К счастью, природа дала нам передышку. Второе вероятное обнаружение произошло 12 октября, менее чем через месяц после первого обнаружения. Эта пара убедила почти всех, что у нас достаточно доказательств для публикации. Более того, в конце декабря произошло еще одно бесспорно четкое обнаружение, не оставляющее места для сомнений.
Через пять месяцев после обнаружения GW150914, написав о нем более дюжины статей (см. papers.ligo.org), при этом ведущая статья принята к публикации в Physical Review Letters , мы публично объявили об открытии в прессе конференции в штаб-квартире NSF в феврале 2016 года. На этот раз в праздновании не было ничего пустого.
Джона Каннер — научный сотрудник лаборатории LIGO Калифорнийского технологического института; он имеет 10-летний опыт работы с гравитационно-волновыми данными.
Алан Вайнштейн — профессор физики Калифорнийского технологического института и руководитель группы анализа астрофизических данных лаборатории LIGO в Калифорнийском технологическом институте.
Получайте информационный бюллетень Nautilus
Самые новые и самые популярные статьи доставляются прямо на ваш почтовый ящик!
Приближение к гравитационным волнам через 3 вопроса
«Дамы и господа, мы обнаружили гравитационные волны! Мы сделали это!»
Весь мир очарован этим захватывающим сообщением. Ученые впервые наблюдали временный гравитационный сигнал, генерируемый столкновением двух черных дыр, что подтверждает предсказание Альберта Эйнштейна 100-летней давности.
Эксперименты по обнаружению гравитационных волн проводятся с 1960-х годов. Однако, поскольку волны невероятно слабы, даже Эйнштейн сомневался, что они когда-либо будут обнаружены.
Так как же ученые, наконец, обнаружили гравитационные волны?
Ответы лежат в общей теории относительности Эйнштейна и самом точном из когда-либо созданных детекторов Advanced LIGO!
- Что такое гравитационные волны?
Согласно теории Эйнштейна, массивные объекты во Вселенной искажают пространство и время, создавая искривленное пространство-время.
Когда происходит самое мощное событие, такое как слияние черных дыр, оно создает гравитационные волны, распространяющиеся как рябь в пруду. Эти волны переносят энергию через Вселенную, сжимая и растягивая пространственно-временной континуум.
- Как были обнаружены гравитационные волны?
14 сентября 2015 года Advanced LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) наконец-то обнаружила этот чрезвычайно слабый сигнал. Размер которого составляет около 1/1000 диаметра протона.
Внутри LIGO единственный лазерный луч разделяется на два и направляется в два точно равных плеча. Два луча отражаются от зеркал и воссоединяются в том месте, где они разделились.
Если проходят какие-либо гравитационные волны, они искажают пространство и изменяют длину рук. Это изменение заставляет два луча возвращаться к разделителю в разное время, передавая деформацию волн, пропорциональную оптическим сигналам.
Для повышения чувствительности LIGO к обнаружению гравитационных волн специальные зеркала модифицированы для максимального преобразования деформации в оптический сигнал.
Сверхвысокий вакуум и чрезвычайно низкое давление также необходимы для изоляции внешнего шума.
После обнаружения сигнала ученые провели серию тестов, чтобы подтвердить его достоверность. Эти тесты, такие как измерение отклика LIGO на магнитные и радиоволны, доказали, что сигнал исходил от гравитационных волн, а не от других воздействий окружающей среды или инструментов.
- Откуда мы знаем, что волны образовались в результате слияния черных дыр?
Наблюдаемый сигнал соответствует предсказанию уравнения Эйнштейна для слияния двух черных дыр.
Анализируя особенности сигнала, ученые обнаружили две черные дыры, в 30 раз превышающие массу Солнца, производящие гравитационные волны на расстоянии 1,3 миллиарда лет. Они вращались вокруг друг друга со скоростью, равной половине скорости света, теряя энергию, и в конце концов схлопывались в огромный массив.