Все, что вы хотели знать о гравитационных волнах, но боялись спросить. Существуют ли гравитационные волны

Существуют ли гравитационные волны?

Существуют ли гравитационные волны? Мне кажется, что пока еще рано категорически откинуть знак вопроса в конце этой фразы. Правда, стоящий перед теоретической физикой вопрос следует сформулировать несколько иначе: способно ли изменение кривизны пространства переносить энергию? Эйнштейн и Эддингтон, казалось бы, не только положительно ответили на этот вопрос, но даже дали формулу для вычисления такой энергии. Чего же, кажется; больше? Но вот один из виднейших учеников и последователей Эйнштейна, известный польский физик Инфельд ставит под сомнение возможность переноса энергии гравитационными волнами.

К этому выводу он пришел в результате сложных математических преобразований уравнений движения многих тел в общей теории относительности. Огромную роль в этой теории играет выбор системы координат. Здесь, пожалуй, не место вдаваться в подробное разъяснение, как это получается. Но, коротко говоря, существование гравиоволн не должно зависеть от того, с какой «точки зрения» их наблюдают. Так же, например, вес тела не меняется от того, в чем его выразить: в килограммах, фунтах или унциях (впрочем, на этом сходство и кончается).

Так вот, Инфельд пришел к выводу, что всегда можно подобрать такую систему координат, в которой энергия гравитационных волн окажется равной нулю. А следовательно, и в любой другой системе координат она тоже не должна отличаться от нуля (нуль килограммов равен нулю унций, нулю пудов, нулю тонн).

Ряд ученых не согласен с выводами Инфельда. Они считают, что дело обстоит гораздо сложнее. При переходе от одной системы координат к другой могут измениться не только единицы измерения. Скажем, если мы вместо системы отсчета, движущейся прямолинейно и равномерно, возьмем систему, двигающуюся ускоренно, например вращающееся тело, то появятся вполне реальные физические силовые поля, которых раньше не было — поле центробежной силы и силы Кориолиса. На Земле благодаря центробежной силе вес тел на поверхности планеты изменяется в зависимости от широты, сила Кориолиса тоже вызывает заметные природные явления, с ней приходится считаться при многих технических расчетах, например при создании турбин. Что-то в этом роде, возможно, и не учитывает Инфельд.

С другой стороны, и саму общую теорию относительности нельзя обвинить в том, что она в своем нынешнем состоянии не может дать исчерпывающие ответы на все вопросы, касающиеся гравитации. Широко распространенное мнение о «законченности» и «завершенности» теории относительности не правильно. Это великое творение человеческого разума можно уподобить прекрасному зданию, в котором есть, однако, некоторые недоделки. Теория относительности продолжает разрабатываться; конец разработки и развития любой теории может быть только началом конца самой теории, предвещающим возникновение новой, более совершенной.

Но даже, если на вопрос о существовании гравитационных волн будет дан четкий и ясный положительный ответ, если спорное утверждение превратится в неоспоримую истину, — и тогда останется под сомнением возможность искусственного получения и особенно использования гравитационных волн.

Умозрительно можно себе представить многое. Но фантастика фантастике рознь. Скажем, фотонные ракеты, о которых много говорят в последнее время, с точки зрения физика, в принципе вполне реальная вещь, хотя возможность их технического осуществления еще сомнительна.

В вопросе о получении и использовании гравитационных волн дело обстоит еще сложнее. Вращение или колебание макротела с нужной скоростью исключительно трудно. А в микромире гравитационные эффекты ничтожно малы по сравнению со всеми другими, в частности электромагнитными.

Всякое явление природы должно быть детально исследовано и познано человеком. Тут сомнений быть не может. Но не всегда и не всякое познанное явление можно использовать для наших практических нужд.

Автор: М. Ф. Широков.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что тема изучения гравитационных волн весьма интересна и пора от теории переходить к практике, там поставить какой-нибудь практический эксперимент, потом заказать отчет по практике, а там можно будет и кандидатскую по физике защитить.

www.poznavayka.org

Все, что вы хотели знать о гравитационных волнах, но боялись спросить (4 фото +3 видео)

Напомним, на днях ученые LIGO объявили о крупном прорыве в области физики, астрофизики и нашего изучения Вселенной: открытие гравитационных волн, предсказанных еще Альбертом Эйнштейном 100 лет назад. Ресурсу Gizmodo удалось найти доктора Эмбер Ставер из обсерватории Ливингстона в Луизиане, коллаборации LIGO, и подробно расспросить о том, что это значит для физики. Понимаем, что за несколько статей к глобальному пониманию нового способа постигать наш мир прийти будет сложновато, но будем стараться.

Была проведена огромная работа по обнаружению одной-единственной гравитационной волны к настоящему времени, и это стало крупным прорывом. Похоже, открывается масса новых возможностей для астрономии — но является ли это первое обнаружение «простым» доказательством того, что обнаружение возможно само по себе, или вы уже можете извлекать из него дальнейшие научные достижения? Что вы надеетесь получить от этого в будущем? Появятся ли методы обнаружения этих волн попроще в будущем?

Это действительно первое обнаружение, прорыв, но целью всегда было использовать гравитационные волны, чтобы делать новую астрономию. Вместо того чтобы искать во Вселенной видимый свет, теперь мы можем чувствовать едва заметные изменения в гравитации, которые вызываются крупнейшими, сильнейшими и (на мой взгляд) наиболее интересными вещами во Вселенной — включая и те, информацию о которых мы никогда не смогли бы получить с помощью света.

Мы смогли применить этот новый тип астрономии к волнам первого обнаружения. Используя то, что мы уже знаем об ОТО (общей теории относительности), мы смогли предсказать, на что похожи гравитационные волны объектов вроде черных дыр или нейтронных звезд. Сигнал, который мы обнаружили, соответствует предсказанному для пары черных дыр, одна из которых в 36, а другая в 29 раз массивнее Солнца, закручивающихся по мере приближения друг к другу. Наконец, они сливаются в одну черную дыру. Так что это не только первое обнаружение гравитационных волн, но и первое прямое наблюдение черных дыр, ведь их нельзя наблюдать с помощью света (только по веществу, которое вращается вокруг них).

Почему вы уверены, что посторонние эффекты (вроде вибрации) не влияют на результаты?

В LIGO мы записываем гораздо больше данных, связанных с нашей окружающей средой и оборудованием, чем данных, которые могут содержать гравитационно-волновой сигнал. Причина этого в том, что мы хотим быть максимально уверены в том, что нас не водят за нос посторонние эффекты и не вводят в заблуждение относительно обнаружения гравитационной волны. Если в момент обнаружения сигнала гравитационной волны мы почувствуем ненормальную почву, скорее всего, мы откажемся от этого кандидата.

Видео: Вкратце о гравитационных волнах

Другая мера, которую мы предпринимаем, чтобы не увидеть что-то случайное, заключается в том, что оба детектора LIGO должны увидеть один и тот же сигнал с промежутком времени, которое необходимо для перемещения гравитационной волны между двумя объектами. Максимальное время для такого путешествия — примерно 10 миллисекунд. Чтобы убедиться в возможном обнаружении, мы должны увидеть сигналы одной формы, почти в одно время, и данные, которые мы собираем о нашей окружающей среде, должны быть лишены аномалий.

Есть много других тестов, которые проходит кандидат, но это основные.

Существует ли практический способ генерировать гравитационные волны, которые могут быть обнаружены с помощью подобных устройств? Сможем ли мы построить гравитационное радио или лазер?

Вы предлагаете то же, что Генрих Герц сделал в конце 1880-х для обнаружения электромагнитных волн в форме радиоволн. Но гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, которые удерживают Вселенную вместе. По этой причине, движение масс в лаборатории или на другом объекте с целью создания гравитационных волн будет слишком слабым, чтобы его мог уловить даже такой детектор, как LIGO. Чтобы создать достаточно сильные волны, нам придется раскрутить гантель с такой скоростью, что она разорвет любой известный материал. Но во Вселенной много крупных объемов массы, которая движется чрезвычайно быстро, поэтому мы строим детекторы, которые будут заниматься их поиском.

Изменит ли это подтверждение наше будущее? Сможем ли мы использовать силу этих волн для исследования космического пространства? Будет ли возможность общаться с помощью этих волн?

Из-за количества массы, которая должна двигаться с чрезвычайной скоростью, чтобы производить гравитационные волны, которые способны обнаружить детекторы вроде LIGO, единственным известным механизмом этого являются пары нейтронных звезд или черных дыр, вращающихся перед слиянием (могут быть и другие источники). Шансы того, что это некая продвинутая цивилизация манипулирует веществом, чрезвычайно малы. Лично я не думаю, что будет прекрасно обнаружить цивилизацию, способную использовать гравитационные волны как средство общения, поскольку она сможет играючи прикончить нас.

Когерентны ли гравитационные волны? Можно ли сделать их когерентными? Можно ли сфокусировать их? Что будет с массивным объектом, на который воздействует сфокусированный пучок гравитации? Можно ли использовать этот эффект для улучшения ускорителей частиц?

Некоторые виды гравитационных волн могут быть когерентны. Представим нейтронную звезду, которая почти идеально сферическая. Если она вращается быстро, небольшие деформации менее дюйма будут производить гравитационные волны определенной частоты, что будет делать их когерентными. Но сфокусировать гравитационные волны весьма трудно, поскольку Вселенная прозрачна для них; гравитационные волны проходят через материю и выходят неизменными. Вам нужно изменить путь по меньшей мере части гравитационных волн, чтобы их сфокусировать. Возможно, экзотическая форма гравитационного линзирования сможет хотя бы частично сфокусировать гравитационные волны, но будет сложно, если вообще возможно, их использовать. Если их можно будет сфокусировать, они по-прежнему будут настолько слабыми, что я не представляю никакого практического применения оных. Но также говорили и о лазерах, которые по сути просто сфокусированный когерентный свет, так что кто его знает.

Какова скорость гравитационной волны? Есть ли у нее масса? Если нет, может ли она двигаться быстрее скорости света?

Гравитационные волны, как полагают, движутся со скоростью света. Это скорость, ограниченная общей теорией относительности. Но эксперименты вроде LIGO должны это проверить. Возможно, они движутся чуть медленнее скорости света. Если так, то теоретическая частица, которую ассоциируют с гравитацией, гравитон, будет обладать массой. Поскольку гравитация сама по себе действует между массами, это добавит теории сложности. Но не невозможности. Мы используем бритву Оккама: простейшее объяснение, как правило, является самым верным.

Как далеко нужно быть от слияния черных дыр, чтобы суметь о них рассказать?

В случае с нашими бинарными черными дырами, которые мы обнаружили по гравитационным волнам, они произвели максимальное изменение длины наших 4-километровых рукавов на 1х10-18 метра (это 1/1000 диаметра протона). Мы также считаем, что эти черные дыры в 1,3 миллиарда световых лет от Земли.

Теперь предположим, что наш рост два метра и мы плаваем на расстоянии Земли до Солнца от черной дыры. Думаю, вы испытали бы попеременное сплющивание и растяжение примерно на 165 нанометров (ваш рост изменяется на большее значение в течение суток). Это можно пережить.

Если использовать новый способ услышать космос, что больше всего интересует ученых?

Потенциал до конца неизвестен, в том смысле, что может быть куда больше мест, чем мы думали. Чем больше мы узнаем о Вселенной, тем лучше мы сможем отвечать на ее вопросы при помощи гравитационных волн. К примеру, на эти:

Что является причиной гамма-всплесков?
Как вещество ведет себя в экстремальных условиях коллапсирующей звезды?
Какими были первые мгновения после Большого Взрыва?

Как ведет себя вещество в нейтронных звездах?

Но мне больше интересно, что из неожиданного можно обнаружить с помощью гравитационных волн. Каждый раз, когда люди наблюдали Вселенную по-новому, мы открывали много неожиданных вещей, которые переворачивали наше представление о Вселенной. Я хочу найти эти гравитационные волны и обнаружить что-то, о чем мы понятия не имели раньше.

Поможет ли это нам сделать настоящий варп-двигатель?

Поскольку гравитационные волны слабо взаимодействуют с веществом, их вряд ли можно использовать для движения этого вещества. Но даже если бы вы могли, гравитационная волна движется всего лишь со скоростью света. Для варп-двигателя они не подойдут. Хотя было бы круто.

Как насчет антигравитационных устройств?

Чтобы создать антигравитационное устройство, нам нужно превратить силу притяжения в силу отталкивания. И хотя гравитационная волна распространяет изменения гравитации, это изменение никогда не будет отталкивающим (или отрицательным).

Гравитация всегда притягивает, поскольку отрицательной массы, похоже, не существует. В конце концов, существует положительный и отрицательный заряд, северный и южный магнитный полюс, но только положительная масса. Почему? Если бы отрицательная масса существовала, шар вещества падал бы вверх, а не вниз. Он бы отталкивался от положительной массы Земли.

Что это означает для возможности путешествий во времени и телепортации? Можем ли мы найти практическое применение этому явлению, кроме изучения нашей Вселенной?

Сейчас лучший способ путешествия во времени (и только в будущее) — это путешествовать с околосветовой скоростью (вспомним парадокс близнецов в ОТО) либо отправиться в область с повышенной гравитацией (такого рода путешествие во времени было продемонстрировано в «Интерстелларе»). Поскольку гравитационная волна распространяет изменения в гравитации, будут рождаться и очень малые флуктуации в скорости времени, но поскольку гравитационные волны по сути слабые, слабые также и временные флуктуации. И хотя я не думаю, что можно применить это к путешествиям во времени (или телепортации), никогда не говори никогда (спорю, у вас перехватило дыхание).

Настанет ли день, когда мы перестанем подтверждать Эйнштейна и снова начнем поиски странных вещей?

Конечно! Поскольку гравитация самая слабая из сил, с ней также трудно экспериментировать. До сих пор каждый раз, когда ученые подвергали ОТО проверке, они получали точно спрогнозированные результаты. Даже обнаружение гравитационных волн в очередной раз подтвердило теорию Эйнштейна. Но я полагаю, когда мы начнем проверять мельчайшие детали теории (может, с гравитационными волнами, может, с другим), мы будем находить «забавные» вещи, вроде не совсем точного совпадения результата эксперимента с прогнозом. Это не будет означать ошибочность ОТО, лишь необходимость уточнения ее деталей.

Видео: Как гравитационные волны взорвали интернет?

Каждый раз, когда мы отвечаем на один вопрос о природе, появляются новые. В конце концов, у нас появятся вопросы, которые будет круче, чем ответы, которые может позволить ОТО.

Можете ли вы объяснить, как это открытие может быть связано или повлияет на теорию единого поля? Мы оказались ближе к ее подтверждению или же развенчанию?

Сейчас результаты сделанного нами открытия в основном посвящают проверке и подтверждению ОТО. Единая теория поля ищет способ создать теорию, которая объяснит физику очень малого (квантовая механика) и очень большого (общая теория относительности). Сейчас эти две теории можно обобщить, чтобы объяснить масштабы мира, в котором мы живем, но не более. Поскольку наше открытие сосредоточено на физике очень большого, само по себе оно мало продвинет нас в направлении единой теории. Но вопрос не в этом. Сейчас только-только родилась область гравитационно-волновой физики. Когда мы узнаем больше, мы обязательно расширим наши результаты и в области единой теории. Но перед пробежкой нужно пройтись.

Теперь, когда мы слушаем гравитационные волны, что должны услышать ученые, чтобы буквально выс*ать кирпич? 1) Неестественные паттерны/структуры? 2) Источники гравитационных волн из регионов, которые мы считали пустыми? 3) Rick Astley — Never gonna give you up?

Когда я прочитала ваш вопрос, я сразу вспомнила сцену из «Контакта», в которой радиотелескоп улавливает паттерны простых чисел. Вряд ли такое можно встретить в природе (насколько нам известно). Так что ваш вариант с неестественным паттерном или структурой был бы наиболее вероятен.

Не думаю, что мы когда-то будем уверены в пустоте в определенном регионе космоса. В конце концов, система черных дыр, которую мы обнаружили, была изолирована, и из этого региона не приходил никакой свет, но мы все равно обнаружили там гравитационные волны.

Что касается музыки… Я специализируюсь на отделении сигналов гравитационных волн от статического шума, который мы постоянно измеряем на фоне окружающей среды. Если бы я нашла в гравитационной волне музыку, особенно которую слышала раньше, это был бы розыгрыш. Но музыка, которую на Земле никогда не слышали… Это было бы как с простыми случаями из «Контакта».

Раз эксперимент регистрирует волны по изменению расстояния между двумя объектами, амплитуда одного направления больше, чем другого? В противном случае не означают ли считываемые данные, что Вселенная меняется в размерах? И если так, подтверждает ли это расширение или что-нибудь неожиданное?

Нам нужно увидеть множество гравитационных волн, приходящих из множества разных направлений во Вселенной, прежде чем мы сможем ответить на этот вопрос. В астрономии это создает модель популяции. Как много различных типов вещей существует? Это главный вопрос. Как только мы заимеем много наблюдений и начнем видеть неожиданные паттерны, к примеру, что гравитационные волны определенного типа приходят из определенной части Вселенной и больше ниоткуда, это будет крайне интересный результат. Некоторые паттерны могли бы подтвердить расширение (в котором мы весьма уверены), либо другие явления, о которых мы пока не знали. Но сначала нужно увидеть много больше гравитационных волн.

Мне совершенно непонятно, как ученые определили, что измеренные ими волны принадлежат двум сверхмассивным черным дырам. Как можно с такой точностью определить источник волн?

Методы анализа данных используют каталог предсказанных сигналов гравитационных волн для сравнения с нашими данными. Если имеется сильная корреляция с одним из таких прогнозов, или шаблонов, то мы не только знаем, что это гравитационная волна, но и знаем, какая система ее образовала.

Каждый отдельный способ создания гравитационной волны, будь то слияние черных дыр, вращение или смерть звезд, все волны имеют разные формы. Когда мы обнаруживаем гравитационную волну, мы используем эти формы, как предсказывала ОТО, чтобы определить их причину.

Откуда мы знаем, что эти волны произошли из столкновения двух черных дыр, а не какого-нибудь другого события? Возможно ли предсказать, где или когда произошло такое событие, с любой степенью точности?

Как только мы узнаем, какая система произвела гравитационную волну, мы можем предсказать, насколько сильной была гравитационная волна вблизи от места своего рождения. Измеряя ее силу по мере достижения Земли и сравнивая наши измерения с предсказанной силой источника, мы можем рассчитать, как далеко находится источник. Поскольку гравитационные волны движутся со скоростью света, мы также можем рассчитать, как долго гравитационные волны двигались к Земле.

В случае с обнаруженной нами системой черных дыр, мы измерили максимальное изменение длины рукавов LIGO на 1/1000 диаметра протона. Эта система расположена в 1,3 миллиарда световых лет. Гравитационная волна, обнаруженная в сентябре и анонсированная на днях, двигалась к нам 1,3 миллиарда лет. Это произошло до того, как на Земле образовалась животная жизнь, но уже после возникновения многоклеточных.

Во время объявления было заявлено, что другие детекторы будут искать волны с более длинным периодом — некоторые из них будут вовсе космическими. Что вы можете рассказать об этих крупных детекторах?

В разработке действительно находится космический детектор. Он называется LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Поскольку он будет в космосе, он будет достаточно чувствительным к низкочастотным гравитационным волнам, в отличие от земных детекторов, вследствие естественных вибраций Земли. Будет сложно, поскольку спутники придется разместить дальше от Земли, чем бывал человек. Если что-то пойдет не так, мы не сможем отправить астронавтов на ремонт, как с Хабблом в 1990-х. Чтобы проверить необходимые технологии, в декабре запустили миссию LISA Pathfinder. Пока что она справилась со всеми поставленными задачами, но миссия еще далека от завершения.

Можно ли преобразовать гравитационные волны в звуковые? И если да, на что они будут похожи?

Можно. Конечно, вы не услышите просто гравитационную волну. Но если взять сигнал и пропустить через динамики, то услышать можно.

Что нам делать с этой информацией? Излучают ли эти волны другие астрономические объекты с существенной массой? Можно ли использовать волны для поиска планет или простых черных дыр?

При поиске гравитационных значений имеет значение не только масса. Также ускорение, которое присуще объекту. Обнаруженные нами черные дыры вращались друг вокруг друга со скоростью в 60% световой, когда сливались. Поэтому мы смогли обнаружить их во время слияния. Но теперь от них больше не поступает гравитационных волн, поскольку они слились в одну малоподвижную массу.

Так что все, что обладает большой массой и движется очень быстро, создает гравитационные волны, которые можно уловить.

Экзопланеты вряд ли будут обладать достаточной массой или ускорением, чтобы создать обнаружимые гравитационные волны. (Я не говорю, что они их не создают вообще, только то, что они будут недостаточно сильными или с другой частотой). Даже если экзопланета будет достаточно массивной, чтобы производить нужные волны, ускорение разорвет ее на части. Не забывайте, что самые массивные планеты, как правило, представляют собой газовых гигантов.

Насколько верна аналогия волн в воде? Можем ли мы «оседлать» эти волны? Существуют ли гравитационные «пики», как уже известные «колодцы»?

Поскольку гравитационные волны могут двигаться через вещество, нет никакого способа оседлать их или использовать их для движения. Так что никакого гравитационно-волнового серфинга.

«Пики» и «колодцы» — это прекрасно. Гравитация всегда притягивает, поскольку не существует отрицательной массы. Мы не знаем почему, но ее никогда не наблюдали в лаборатории или во Вселенной. Поэтому гравитацию обычно представляют в виде «колодца». Масса, которая движется вдоль этого «колодца», будет сваливаться вглубь; так работает притяжение. Если у вас будет отрицательная масса, то вы получите отталкивание, а вместе с ним и «пик». Масса, которая движется на «пике», будет изгибаться от него. Так что «колодцы» существуют, а «пики» нет.

Аналогия с водой прекрасна, пока мы говорим о том, что сила волны уменьшается вместе с пройденным расстоянием от источника. Водяная волна будет становиться меньше и меньше, а гравитационная волна — слабее и слабее.

Как это открытие повлияет на наше описание инфляционного периода Большого Взрыва?

На данный момент это открытие пока практически никак не затрагивает инфляцию. Чтобы делать заявления вроде этого, необходимо наблюдать реликтовые гравитационные волны Большого Взрыва. Проект BICEP2 полагал, что косвенно наблюдал эти гравитационные волны, но оказалось, что виной всему космическая пыль. Если он получит нужные данные, вместе с ними подтвердится и существование короткого периода инфляции вскоре после Большого Взрыва.

LIGO сможет непосредственно увидеть эти гравитационные волны (это также будет самый слабый тип гравитационных волн, который мы надеемся обнаружить). Если мы их увидим, то сможем заглянуть глубоко в прошлое Вселенной, как не заглядывали раньше, и по полученным данным судить об инфляции.

Другие статьи:

nlo-mir.ru

6 неожиданных фактов о гравитационных волнах

Экология познания. Наука и открытия: Мы изучаем гравитационные волны не для того, чтобы что-нибудь сделать. Мы изучаем гравитационные волны, поскольку хотим понять гравитационные волны.

Гравитационные волны не должны быть полезными

Это обычный вопрос, который появляется вместе с новым научным открытием: можно ли гравитационные волны есть? Можно ли на них плавать? В общем, можно ли сделать с их помощью что-нибудь полезное? Например, построить антигравитационную машину. Или варп-двигатель. Все эти идеи прекрасны по-своему, но они не улавливают главного. Мы изучаем гравитационные волны не для того, чтобы что-нибудь сделать. Мы изучаем гравитационные волны, поскольку хотим понять гравитационные волны.

Очень хорошо об этом сказал Ричард Фейнман:

«Физика похожа на секс: конечно, она может дать некоторые практические результаты, но мы занимаемся ею не поэтому».

Очевидно, сложно предсказать появление новых технологий, которые могли бы взять свое от этого открытия. Взять, к примеру, лазер. Когда его создали в 1960 году, многие думали, что у него не будет практического применения. Конечно, они ошибались. Лазеры сегодня повсюду.

Обнаружение LIGO не доказывает существование гравитационных волн

Но начнем с сути «доказательства». Наука никогда не доказывает истину чего-то — она просто не может это сделать. Наука строит модели. Если эти модели соответствуют реальным данным, прекрасно — но это не подтверждает истинность модели. Напротив, если вы найдете данные, которые не согласуются с вашей моделью, это может указать на ошибочность модели. Так что слово «доказательство» можно не использовать.

Дальше. LIGO не доказал существования гравитационных волн. Но этот проект первым собрал доказательства в поддержку гравитационно-волновой модели. Разве это лучше? Нет. Проблема остается. Вернемся в прошлое. В 1993 году Рассел Халс и Джозеф Тейлор-младший получили Нобелевскую премию по физике за свое открытие бинарного пульсара с изменяющимся орбитальным периодом. Согласно обшей теории относительности Эйнштейна, эти пульсары должны испускать гравитационные волны и уменьшать орбитальный период, как в точности обнаружили Халс и Тейлор. Можно сказать, они первыми получили убедительные доказательства существования гравитационных волн.

Но разве LIGO не обнаружил волны вместо того, чтобы просто найти указание на их существование? Можно сказать и так, но тут все зависит от того, что считать «прямым измерением». Никто не видел гравитационную волну. LIGO смотрела на движение зеркал, вооружившись представлениями о гравитационных волнах. Не поймите меня неправильно, открытие действительно серьезное.

LIGO не обнаружила бы этот сигнал без Advanced LIGO

Advanced LIGO увеличила чувствительность детекторов. Поскольку сила сигнала гравитационной волны слабеет с пройденным расстоянием, более чувствительный детектор позволит «увидеть» Вселенную дальше. Много дальше.

Без Advanced LIGO потребовалось бы гравитационное событие (вроде столкновения нейтронных звезд) гораздо ближе к Земле. Если эти события редкие, придется долго ждать. Увеличивая дистанцию наблюдения, LIGO повышает шансы на обнаружение будущих событий.

В LIGO вложили достаточно много

Национальный научный фонд США инвестирует в поиск гравитационных волн с 1970-х годов. С тех пор в него вложили порядка 1,1 миллиарда долларов. Это достаточно много денег, разделенных на достаточно длительное время. Конечно, всем хотелось бы отдачи пораньше, но не всегда выходит так. Наука умеет ждать, терпеть, не видеть прогресса долгое время (хотя прогресс есть). Стоит ли этот проект миллиарда долларов? Абсолютно. Впрочем, в 2015 году военные США потратили 600 миллиардов долларов, так что на этом фоне инвестиции в LIGO кажутся ерундой.

Есть планы отправить детектор гравитационных волн в космос

Именно так. Детектор в космосе будет избавлен от назойливого шума на земле. И вакуум тоже будет. Космическая гравитационная обсерватория также будет довольно большой, поскольку придется расставить зеркала в разных местах. Сопряженных с этим технических трудностей будет масса, но мы попытаемся.

Это цель программы eLISA. В рамках программы запустили две испытательных массы LISA Pathfinder. Эта конкретная миссия проверит, насколько точно можно расположить две массы — это необходимый шаг в сторону строительства космической гравитационной обсерватории.

Низкочастотные гравитационные волны можно измерить с помощью радиотелескопа

Пульсары похожи на часы мироздания. Тайминг (хронометрирование) пульсара измеряется с помощью радиотелескопов (которые используют радиоволны вместо видимого света). Как их можно было бы использовать в роли детекторов гравитационных волн? Например, взглянуть на сигналы пульсаров в разных местах. Когда низкочастотная гравитационная волна проходит через пульсары, их собственный хронометраж меняется. На основе изменений времени и местоположения пульсаров вы можете создать по сути гигантскую версию LIGO в космосе (огромнейшую). Это называют массивами пульсарных временных решеток, и они совершенно реальны.

Возможно, в LIGO счастливы, что сообщили об обнаружении гравитационной волны до того, как это сделали радиотелескопы.опубликовано econet.ru

econet.ru

Что вы должны знать о гравитационных волнах

Что это?

В четверг (11 февраля) в 10:30 утра, Национальный Научный Фонд в Вашингтоне соберёт вместе ученых из Caltech, MIT и Научное Сотрудничество ЛИГ, чтобы объявить научному сообществу о результатах усилий предпринятых Лазерной Интерферометрической Гравитационно-Волновой Обсерваторией (ЛИГО) по обнаружению гравитационных волн.

В результате некоторых очень специфических слухов, направленных на возможное открытие этой неуловимой пульсации в космическом пространстве, большие надежды на то, что научное сотрудничество ЛИГО окончательно положит конец лихорадочным рассуждениям и объявит об открытии гравитационных волн.

Но почему это так важно? И что такое «гравитационные волны»?

Гравитационные волны в их наиболее обобщенном смысле – это пульсация в космическом пространстве. Предположенные Альбертом Эйнштейном чуть более 100 лет назад, эти пульсации переносят гравитационную энергию от ускорения массивных объектов в космосе. Мы можем представить гравитационные волны, как рябь на поверхности пруда; бросьте камешек в воду и волны пойдут по поверхности от упавшего объекта. Гравитационные волны похожи: столкните две чёрные дыры (как пример), и «рябь» пойдет в космическом пространстве, перенося энергию от места столкновения со скоростью света. Существуют не доказанные наблюдения наличия гравитационных волн, но их выявление считалось не возможным… до недавнего времени.

Что их производит?

Чёрные дыры самые массивные и плотные объекты, существующие во Вселенной, и, вероятно, являются очагами активности гравитационных волн, особенно при их столкновении и слиянии. Слияние чёрных дыр считается ключом роста механизма этих гравитационных гигантов. Когда две галактики сливаются их центральные, очень тяжелые, черные дыры начинают вращаться друг вокруг друга по спирали, а затем сталкиваются, образуя большую чёрную дыру. В этом случае, гравитационные волны происходят из вращающихся по спирали чёрных дыр до их столкновения. Чем больше сближаются объекты, тем сильнее увеличивается гравитационная энергия волн, забирая всё больше и больше энергии от чёрных дыр до их столкновения, звеня, как «колокольчик» после их слияния.

Другое энергетическое явление, генерирующее быстрое извержение гравитационных волн – сверхновые звёзды. После того, как у массивной звезды заканчивается водородное топливо, она взрывается, образуя массивное гравитационное давление. В результате взрыва, произойдет выстрел пульсации гравитационных волн, который пойдет сквозь космическое пространство.

Гравитационные волны также могут создаваться быстро вращающимися объектами, но тут есть одна уловка. Только асимметричные (т.е. не симметричные) огромные вращающиеся объекты могут испускать гравитационные волны в периодической форме. Например, быстро вращающаяся нейтронная звезда с выпуклым скоплением веществ с одной стороны полушария будет «расшевеливать» пространство-время для создания гравитационных волн. Однако идеально симметричная нейтронная звезда не будет создавать гравитационные волны. Самый простой способ понять это - представить мяч овальной формы, вращающийся на поверхности бассейна; пока мяч крутится, он создает крупные волны на поверхности воды. Мяч круглой формы, с другой стороны, будет создавать едва заметную рябь на поверхности.

Большой Взрыв, предположительно, также вызвал мощный поток гравитационных волн, при зарождении Вселенной, около 14 миллиардов лет назад. Тем не менее, эти начальные гравитационные волны, вряд ли будут обнаружены, так как их сигнал слишком слаб в современной Вселенной. Но предпринимаются попытки их обнаружения в «фоновом свечении» Большого Взрыва. Таким проектом считается телескоп BICEP2 на Южном Полюсе, который ищет очень специфичный тип поляризации в космическом микроволновом фоне, предположительно вызванный первичными гравитационными волнами. Несмотря на недавние объявление, эти сигналы пока что не обнаружены.

Как мы их можем обнаружить?

В 2002 году Лазерная Интерферометрическая Гравитационно-волновая Обсерватория (ЛИГО) начала работу над конкретной задачей: непосредственным обнаружением гравитационных волн проходящих через наш локальный объём пространства. Гравитационные волны передаются в космическом пространстве и могут быть обнаружены в любой части неба ночью и днём, проходя через туманности, звёзды и даже твёрдые планеты. Эти волны, теоретически, постоянно проходят сквозь космическое пространство, путешествуя абсолютно беспрепятственно.

Эти волны могут быть везде, но их эффект удивительно слаб, и ЛИГО был разработан, для зондирования возможного их существования. ЛИГО состоит из двух наблюдательных станций расположенных на расстоянии 2 тысячи миль друг от друга – одна в Вашингтоне, другая в Луизиане. Обе станции идентичны, и имеют два длинных L-образных туннеля. Каждый туннель длиной 2,5 мили. В угле «L» находится сложнейшая оптическая лаборатория, использующая лазеры, для обнаружения крошечных колебаний в расстоянии, вызванных прохождением гравитационной волны. По многоразовому «подпрыгиванию» лазеров вдоль тоннеля, и последующего сравнения лучей, оборудование ЛИГО способно обнаружить самое незначительное изменение фазы. Эта чрезвычайно точная техника называется интерферометрия. Любое изменение фазы может означать небольшое искривление пространства-времени – крошечное изменение расстояния, эквивалентное 1/1000 ширине протона.

До сих пор, ЛИГО не могло обнаружить любые сигналы гравитационных волн, но с обновлением до Advanced LIGO, ситуация может измениться.

Наличие двух станции имеет решающее значение для Advanced LIGO. Если одна станция обнаруживает изменение пространства-времени, а другая нет, ученые могут исключить распространение гравитационных волн. Эти ложные срабатывания могут быть вызваны вибрацией от проезжающего грузовика или при сильном ветре во время шторма. Только если две станции зафиксируют одно и то же событие, подтвердится существование сигнала гравитационной волны.

Другие наземные детекторы гравитационной волны, такие как Virgo (Италия) и GEO 600 (Германия), также используют интерферометрию, чтобы уловить эти крошечные колебания пространства-времени. Недавно стартовала миссия LISA Pathfinder для тестирования ключевых технологий, с помощью космического интерферометра следующего поколения Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA), который планирует запустить Европейское Космическое Агентство в 2034 году.

Почему они так важны?

Подтверждение обнаружения гравитационных волн станет окончательным слиянием теоретической физики и технологического развития. Гравитационные волны рождены непосредственно из общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает природу пространства и времени. Это удивительно, что 100 лет назад, год в год, Эйнштейн посеял семена для этих волнений в пространстве-времени, только для того, чтобы через век мы смогли разработать технологию и попытались фактически их обнаружить. Их обнаружение подтвердит ещё одно предположение общей теории относительности и поможет нам в будущем найти ответы некоторые из самых неприятных головоломок, стоящих перед астрофизиками и космологами.

Непосредственное обнаружение гравитационных волн, несомненно, событие достойное Нобелевской премии и научное сообщество не сомневается, что это достижение будет в одном ряду с открытием бозона Хиггса в 2012 году и возможно, даже с понятием Эдвина Хаббла о расширении Вселенной в 1929 году.

Любопытно, что он предположил, что разные космические явления будут создавать различные по частоте гравитационные волны. Современная астрономия сфокусирована на использовании электромагнитного спектра для исследования Вселенной. Традиционно, видимая часть света электромагнитного спектра, использовалась астрономами, чтобы открыть планеты и даже заглянуть в соседние галактики. По мере развития астрономических методов и модернизации технологий, астрономы начали изучать волны различной частоты, такие как рентгеновские лучи, чтобы увидеть энергетические события вокруг чёрных дыр, и инфракрасное излучение, чтобы заглянуть в звёздообразующие туманности.

Но непосредственное обнаружение гравитационных волн будет сдвигом парадигмы. С достаточным количеством детекторов гравитационных волн, мы сможем «увидеть» предметы и объекты, которые остаются невидимыми для электромагнитного спектра. Две столкнувшиеся чёрные дыры, для примера, не могут создавать достаточно много электромагнитного излучения, но они могут создать огромный гравитационно-волновой сигнал. И, как и электромагнитное излучение, частота гравитационных волн будет описывать природу явлений порождающих их.

В конечном счёте, мы сможем создать гравитационную карту близлежащей Вселенной с временными явлениями, как сверхновые звёзды, и периодические пульсации от вращения чёрных дыр. Астрономические гравитационные волны создадут революцию в нашем восприятии Вселенной.

БОЛЬШЕ удивительных статей

v-kosmose.com

Откуда появились гравитационные волны?

Сегодня, во время исторического и невероятно захватывающего объявления про первое в истории обнаружение гравитационных волн, мы получили новость, что эти волны были сгенерированы двумя сливающимися черными дырами, расположенными примерно в 1.3 млрд. световых лет от Земли. Это невероятное астрофизическое событие, которое умопомрачительно само по себе. Так что следующий вопрос, приходящий на ум, что совершенно неудивительно, это в каком направлении произошло их слияние?

Как выяснилось, ученые лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории — ЛИГО (LIGO) уже имеют ответ, хоть и очень приблизительный.

Как сообщалось ранее, ЛИГО состоит из двух станции – одна расположена в Вашингтоне, а другая почти за 2000 миль в Луизиане. Причина, по которой существует именно две станции, вполне логична: если гравитационная волна проходит через наше пространство (да, это пространственно-временная рябь проходит сквозь Землю и не причиняет нам вреда), она должна быть обнаружена на обеих станциях. Благодаря этому можно получить подтверждение, что это «реальная» волна, а не ложное срабатывание из-за какого-то местного нарушения на одной из станций. Также наличие двух станций позволяет ученым провести триангуляцию сигнала, чтобы получить самое обширное представление о том, где эти волны и откуда они.

Объявление в четверг дало понять, что станция Ливингстон (Луизиана) «услышала» как гравитационная волна «щебетала» в течение 7 миллисекунд до станции Ханфорд (Вашингтон) 14 сентября 2015 года. Так как гравитационная волна движется со скоростью света, эту временную разницу подтвердили на обеих станциях. Ученым сразу удалось выяснить, в каком направлении двигались гравитационные волны.

Теперь сотрудничество ЛИГО выпустило карту неба Южного полушария, что позволяет нам заглянуть в светлое будущее гравитационной волновой астрономии. На карте были добавлены контуры, которые демонстрируют различные вероятности мест, откуда мог возникнуть сигнал. Внешняя фиолетовая линия представляет собою 90% уверенность, что источник сигнала (сталкивающихся черных дыр) содержится внутри этой области. Белые лини подчеркивают возможную область с 10% уверенностью.

Полосу звезд, тянущуюся через середину ребра диска Млечного Пути, Большого Магелланова Облака и Малого Магелланова Облака (две небольших близлежащих галактики), также можно заметить в нижней части изображения. Стоит отметить, что, хотя существует некоторая неопределенность в расстоянии черной дыры, ее местонахождение находится далеко за пределами нашей галактики и местной группы галактик.

Поскольку в интернет выходит все больше детекторов гравитационных волн, их наблюдения добавляются к детекторам ЛИГО. А это гарантирует, что можно точнее определить источники гравитационных волн, что превращает их в подобие гравитационных карт космоса. Конечно, она не может быть точной, но это первая подобная карта в своем роде, где внутри своих контуров были объедены две черные дыры 1.3 млрд. лет назад.

lfly.ru

Показывают ли гравитационные волны корпускулярно-волновой дуализм?

Итан Зигель

Forbes, 20 февраля 2016 года

Статья переведена и публикуется с любезного разрешения автора.

Image credit: NASA.

Теперь, с открытием LIGO первого сигнала гравитационных волн, подтверждена часть Общей Теории Относительности Эйнштейна, говорящая о том, что ткань пространства сама по себе может содержать волны и мелкую рябь. Все это вызывает разнообразные интересные вопросы - вроде такого, заданного нашим читателем (и спонсором Patreon!) Джо Лато (Joe Latone):

" ожидается ли, что гравитационные волны будут показывать корпускулярно-волновой дуализм, и, если да, могут ли ученые LIGO придумать эксперименты (вроде эксперимента с двумя щелями), чтобы это проверить? "

Корпускулярно-волновой дуализм - одно из самых странных открытых нами следствий квантовой механики.

Image credit: Wikimedia Commons пользователь Sakurambo, на основе работы Томаса Янга (Thomas Young), представленной Королевскому Сообществу в 1803.

Начиналось все довольно просто: материя образуется частицами - такими, как атомы и их составляющие, а излучение состоит из волн. Частицей можно назвать что-то, что может сталкиваться и отталкиваться от других частиц, слипаться, обмениваться энергией, связываться и т.п. А волной называлось что-то, что могло подвергаться дифракции и интерференции. Ньютон ошибочно думал, что свет состоит из частиц, но его современники - например, Гюйгенс, и также ученые начала XIX века - Юнг и Фреснель - однозначно показали, что у света есть такие свойства, которые можно объяснить только тем, что он представляет собой волны. Самые известные из их экспериментов - эксперименты с двумя щелями: при прохождении света через две щели на экране явно отображалась картина интерференции - где свет взаимодействовал как конструктивно (максимумы яркости), так и деструктивно (минимумы).

Image credit: пользователи Wikimedia Commons Dr. Tonomura and Belsazar. Обратите внимание, как картина интерференции становится различимой только при наличии достаточного числа частиц, даже несмотря на то, что они пролетают через щели по одной.

Эта интерференция - продукт исключительно волновой, поэтому "доказывала", что свет состоит из волн. Но в начале XX века все смешал фотоэффект. Если направить свет на определенный материал, свет начнет выбивать "случайные" электроны. Если теперь свет сделать красным (то есть меньшей энергии), то, даже если усилить его интенсивность, он перестанет выбивать электроны. Но если сделать свет синим, более высокой энергии, то даже если уменьшить его интенсивность до нуля, он продолжает выбивать электроны. Немного времени спустя, мы открыли, что свет можно проквантовать на фотоны, и каждый отдельный фотон действует как частица, ионизующая электроны с подходящей энергией.

Image credit: пользователь Wikimedia Commons Klaus-Dieter Keller, создано при помощи Inkscape. Заметим, что для энергий ниже определенного порога, ионизация не проявляется, а выше - происходит, причем чем больше энергия фотона, тем больше скорость вылетающего электрона.

Далее, в XX веке, были обнаружены еще более странные вещи:

- отдельные фотоны, пропущенные через двойную щель, по прежнему интерферируют сами с собой, давая картину, которая соответствует волновой модели.

- Электроны, которые считались ранее частицами, также показывают аналогичную картину.

- Если пытаться установить, через какую щель пролетел фотон, картина интерференции исчезает. Если не пытаться - снова появляется.

Оказалось, что каждая частица может быть одновременно и волной. Более того, квантовая механика учит, что в подходящих условиях мы должны рассматривать частицы именно так, иначе мы не получим результатов, согласующихся с нашими экспериментами.

Image credit: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), via PRL 116, 061102 (2016).

И теперь, мы переходим к гравитационным волнам. Они уникальны тем, что пока мы не видели их в виде частиц. Но мы вправе ожидать, что они тоже как и обычные волны состоят из частиц - только эти частицы не молекулы воды, а гравитоны - частицы гравитационного взаимодействия, возникающие вследствие того, что гравитация, по существу - квантовая сила.

Image credit: Dave Whyte of Bees & Bombs, via http://beesandbombs.tumblr.com/post/134366721074/ok-couldnt-resist-remaking-this-old-chestnut-in.

И, поскольку это волны, а волны, как предсказывает Общая Теория Относительности (ОТО), должны подчиняться определенным правилам:

- во время возбуждения, - во время наложения, и - во время затухания,

мы можем с хорошей степенью уверенности утверждать, что они будет вести себя также, как и другие волны, описанные ОТО. В деталях они слегка отличается от других волн, к которым мы привыкли - в частности, они не такие скалярные, как волны в воде, и не такие векторные, как свет, в котором синфазно колеблются электрическое и магнитное поля. Отличие в том, что это - т.н. тензорные волны, которые возникают, когда пространство сжимается и расширяется в направлениях, перпендикулярных их движению.

У этих волн те же свойства, что и у обычных волн - например, они могут распространяться с определенной скоростью через свою среду (со скоростью света через ткань самого пространства), они могут интерферировать с другими волнами - конструктивно и деструктивно, они могут кататься на искривлениях пространства-времени, а также для них существуют некоторые условия, в которых можно наблюдать их дифракцию - например, огибание сильного источника гравитации вроде черной дыры. В дополнение к этому, при расширении Вселенной эти волны будут делать ровно то же, что и другие - растягиваться.

Image credit: E. Siegel, из книги Beyond The Galaxy, продающейся на http://amzn.to/1UdcwZP.

Вопрос в том, как мы собираемся проверить их квантовую часть? Как увидеть "частичную" часть гравитационной волны? В теории, гравитационные волны похожи на ранние изображения волн, которые показывали видимую волну, как колебания множества движущихся частиц - эти частицы являются гравитонами, а общей видимой нам волной - гравитационная волна, обнаруженная LIGO. Это - единственная причина утверждать, что гравитоны уже у нас в руках, поскольку они:

- обладают спином 2, - не имеют массы, - распространяются со скоростью света, - взаимодействуют только посредством гравитации. Второе ограничение для LIGO исключительно хорошо: если у гравитона и есть масса, она меньше 1.6 x 10^-22 eV/c^2, или примерно в ~10^28 меньше массы электрона. Но пока мы не придумаем метод для проверки квантовой гравитации при помощи гравитационных волн, мы не узнаем, являются ли эти частицы гравитонами.

И, хотя у нас есть некоторые шансы это установить, LIGO вряд ли нам поможет. Видите ли, эффекты квантовой гравитации наиболее сильны там, где есть сильнейшие гравитационные поля на очень маленьких расстояниях. Есть ли проверка лучше, чем слияние черных дыр?! Когда сливаются две сингулярности, эти квантовые эффекты - следствия ОТО - будут проявлять себя непосредственно во время слияния, перед слиянием (как возбуждение волн) и сразу после него (как их затухание). И хотя мы говорим о промежутках времени в пиросекунды, а не микро-миллисекунды (предел LIGO), обнаружить их все же можно. Мы разработали лазеры, которые могут работать в промежутки времени в фемто- или даже аттосекунды (от 10^-15 с до 10^-18 с). Поэтому вполне возможно было бы попробовать повысить чувствительность этих интерферометров до таких значений. Все это вызовет огромный скачок технологий, включая создание огромного количества интерферометров, методов подавления шума и увеличения порога чувствительности. С точки зрения технологии, это не невозможно, это всего лишь очень трудно!

Для астрономов LowBrow в Мичигане я только что сделал небольшой видеорассказ о гравитационных волнах, LIGO и том, чему мы научились - вот полная запись беседы (прошу прощения за помарки записи Google)

Возможно, вас заинтересует только один последний вопрос - о том, как именно мы можем проверить существование частицы гравитон, которая завершит формирование нами представления о корпускулярно-волновом дуализме этой Вселенной. Мы думаем, что это правда, но пока не знаем этого наверняка. Будем надеяться, что наше любопытство приведет нас к необходимости вложить еще больше усилий, что природа будет к нам благосклонна, и что мы сможем это выяснить!

www.nebulacast.com