Содержание
Существуют ли гравитационные волны?
Оставить комментарий
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.
Все, что вы хотели знать о гравитационных волнах, но боялись спросить
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.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
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).
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
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.
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.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
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.
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
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.
Как были открыты первые гравитационные волны
Примечание: 3 октября 2017 года Шведская королевская академия наук объявила, что Нобелевская премия по физике будет присуждена Райнеру Вайсу, Кипу Торну и Барри Бэришу, трем первооткрывателям изучение гравитационных волн.
Чуть более миллиарда лет назад, во многих миллионах галактик отсюда, столкнулась пара черных дыр.
Они кружили друг вокруг друга на протяжении тысячелетий в своего рода брачном танце, набирая скорость с каждой орбитой, подлетая все ближе и ближе. К тому времени, как они оказались в нескольких сотнях миль друг от друга, они мчались почти со скоростью света, испуская огромные колебания гравитационной энергии. Пространство и время исказились, как кипящая вода. За те доли секунды, которые понадобились черным дырам, чтобы окончательно слиться, они излучали в сто раз больше энергии, чем все звезды во Вселенной вместе взятые. Они образовали новую черную дыру, в шестьдесят два раза тяжелее нашего Солнца и почти такую же по ширине, как штат Мэн. Когда он разгладился, приняв форму слегка приплюснутой сферы, из него вырвалось несколько последних колчанов энергии. Затем пространство и время снова замолчали.
Волны разбегались во всех направлениях, слабея по мере продвижения. На Земле динозавры возникли, эволюционировали и вымерли. Волны продолжали идти. Около пятидесяти тысяч лет назад они вошли в нашу собственную галактику Млечный Путь, когда Homo sapiens начали заменять наших неандертальских кузенов в качестве доминирующего вида обезьян на планете.
Сто лет назад Альберт Эйнштейн, один из наиболее продвинутых представителей вида, предсказал существование волн, что послужило поводом для десятилетий спекуляций и бесплодных поисков. Двадцать два года назад началось строительство огромного детектора — лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (9).0003 ЛИГО ). Затем, 14 сентября 2015 года, незадолго до одиннадцати утра по центральноевропейскому времени волны достигли Земли. Марко Драго, тридцатидвухлетний итальянский студент-докторант и член научного сотрудничества LIGO , был первым, кто заметил их. Он сидел перед своим компьютером в Институте Альберта Эйнштейна в Ганновере, Германия, и удаленно просматривал данные LIGO . Волны появлялись на его экране в виде сжатой закорючки, но самые тонкие уши во Вселенной, настроенные на колебания менее чем в одну триллионную долю дюйма, услышали бы то, что астрономы называют чириканьем — слабый гул от низкого к высокому. Сегодня утром на пресс-конференции в Вашингтоне, округ Колумбия, Команда LIGO объявила, что сигнал представляет собой первое прямое наблюдение гравитационных волн.
Когда Драго увидел сигнал, он был ошеломлен. «Было трудно понять, что делать, — сказал он мне. Он сообщил коллеге, у которого хватило ума позвонить в операционную LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана. Слухи начали распространяться среди тысячи или около того ученых, участвовавших в проекте. В Калифорнии Дэвид Рейтце, исполнительный директор LIGO 9Лаборатория 0004, проводил свою дочь в школу и отправился в свой офис в Калифорнийском технологическом институте, где его встретил шквал сообщений. «Я не помню точно, что я сказал, — сказал он мне. «Это было примерно так: «Черт возьми, что это?» Вики Калогера, профессор физики и астрономии Северо-Западного университета, весь день была на совещаниях и не слышала новостей до обеда. «Мой муж попросил меня накрыть на стол, — сказала она. «Я полностью игнорировала его, просматривала все эти странные электронные письма и думала: что происходит?» Райнер Вайс, восьмидесятитрехлетний физик, впервые предложивший построить дом 9.0003 LIGO , в 1972 году был в отпуске в штате Мэн.
Он вошел в систему, увидел сигнал и закричал: «Боже мой!» достаточно громко, чтобы прибежали его жена и взрослый сын.
Сотрудники начали трудный процесс двойной, тройной и четырехкратной проверки своих данных. «Мы говорим, что сделали измерение, которое составляет около одной тысячной диаметра протона, что говорит нам о двух черных дырах, которые слились более миллиарда лет назад», — сказал Рейтце. «Это довольно экстраординарное утверждение, и оно требует экстраординарных доказательств». Тем временем Ученые LIGO поклялись хранить абсолютную тайну. По мере распространения слухов о находке с конца сентября по эту неделю волнение в СМИ резко возросло; ходили слухи о Нобелевской премии. Но коллаборационисты давали всем, кто спрашивал об этом, сокращенную версию правды — что они все еще анализируют данные и им нечего объявлять. Калогера даже не сказала об этом мужу.
LIGO состоит из двух объектов, разделенных почти тысячей тысячей миль — примерно три с половиной часа полета на пассажирском самолете, но путешествие менее десяти тысячных секунды для гравитационной волны.
Детектор в Ливингстоне, штат Луизиана, расположен на болотистой местности к востоку от Батон-Руж, в окружении коммерческого соснового леса; один в Хэнфорде, штат Вашингтон, находится на юго-западной окраине самого загрязненного ядерного объекта в Соединенных Штатах, среди пустынной полыни, перекати-поля и выведенных из эксплуатации реакторов. В обоих местах пара бетонных труб высотой около двенадцати футов тянется под прямым углом вдаль, так что с высоты сооружения напоминают столярные угольники. Трубы такие длинные — почти две с половиной мили — что их приходится приподнимать над землей на ярд с каждого конца, чтобы они лежали ровно, когда Земля изгибается под ними.
LIGO является частью более масштабных усилий по изучению одного из наиболее неуловимых следствий общей теории относительности Эйнштейна. Проще говоря, теория утверждает, что пространство и время искривляются в присутствии массы и что это искривление производит эффект, известный как гравитация. Когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга, они растягивают и сжимают пространство-время, как дети, бегающие по кругу на батуте, создавая вибрации, достигающие самого края; эти колебания являются гравитационными волнами.
Они постоянно проходят через нас из источников по всей Вселенной, но поскольку гравитация намного слабее других фундаментальных сил природы — например, электромагнетизма или взаимодействий, связывающих атомы, — мы никогда их не ощущаем. Эйнштейн считал крайне маловероятным, что их когда-либо обнаружат. Он дважды объявлял их несуществующими, переворачивая, а затем переворачивая свое собственное предсказание. Скептически настроенный современник заметил, что волны, казалось, «распространялись со скоростью мысли».
Прошло почти пять десятилетий, прежде чем кто-то приступил к созданию прибора для обнаружения гравитационных волн. Первым, кто попытался это сделать, был профессор инженерного дела Мэрилендского университета в Колледж-Парке по имени Джо Вебер. Свое устройство он назвал резонансной стержневой антенной. Вебер считал, что алюминиевый цилиндр можно заставить работать как колокол, усиливая слабый удар гравитационной волны. Когда волна попадала в цилиндр, он слегка вибрировал, и датчики по его окружности переводили звон в электрический сигнал.
Чтобы удостовериться, что он не обнаруживает вибрации проезжающих мимо грузовиков или незначительные землетрясения, Вебер разработал несколько мер безопасности: он подвесил свои стержни в вакууме и запускал два из них одновременно в разных местах — один в кампусе Университета. Университет Мэриленда и один в Аргоннской национальной лаборатории недалеко от Чикаго. Он пришел к выводу, что если обе полоски звенят одинаково с разницей в доли секунды, причиной может быть гравитационная волна.
В июне 1969 года Вебер объявил, что его бары что-то зарегистрировали. Физики и СМИ были в восторге; Газета Times сообщила, что «открылась новая глава в человеческом наблюдении за Вселенной». Вскоре Вебер начал ежедневно сообщать о сигналах. Но сомнения распространились по мере того, как другие лаборатории построили бруски, которые не соответствовали его результатам. К 1974 году многие пришли к выводу, что Вебер ошибался. (Он продолжал заявлять о новых обнаружениях до своей смерти в 2000 году.
)
Наследие Вебера сформировало созданную им область. Это создало ядовитое представление о том, что охотники за гравитационными волнами, как выразился Вайс, «все лжецы и неосторожны, и Бог знает что еще». Это восприятие укрепилось в 2014 году, когда ученые в возрасте 9 лет0003 BICEP 2, телескоп возле Южного полюса, обнаружил то, что казалось гравитационным излучением, оставшимся от Большого взрыва; сигнал был настоящим, но оказался продуктом космической пыли. Вебер также оставил после себя группу исследователей, которые были мотивированы своей неспособностью воспроизвести его результаты. Вайс, разочарованный трудностью обучения работе Вебера своих студентов в Массачусетском технологическом институте, начал проектировать то, что впоследствии стало LIGO . «Я не мог понять, что задумал Вебер, — сказал он в устной истории, проведенной Калифорнийским технологическим институтом в 2000 году. — Я не думал, что это правильно. Поэтому я решил, что займусь этим сам».
При поиске гравитационных волн «большая часть действий происходит на телефоне», — сказал мне Фред Рааб, руководитель сайта LIGO в Хэнфорде.
Еженедельные встречи для обсуждения данных и двухнедельные встречи для обсуждения координации между двумя детекторами с сотрудниками в Австралии, Индии, Германии, Великобритании и других странах. «Когда эти люди просыпаются посреди ночи во сне, им снится детектор», — сказал Рааб. «Вот насколько близкими они должны быть с ним», — объяснил он, чтобы иметь возможность заставить фантастически сложный инструмент, задуманный Вайсом, действительно работать.
Метод обнаружения Вайса полностью отличался от метода Вебера. Его первой идеей было сделать обсерваторию L-образной. Представьте себе двух человек, лежащих на полу, их головы соприкасаются, а их тела образуют прямой угол. Когда через них проходит гравитационная волна, один человек становится выше, а другой уменьшается; через мгновение произойдет обратное. Поскольку волна расширяет пространство-время в одном направлении, она обязательно сжимает его в другом. Прибор Вайса измерял разницу между этими двумя колеблющимися длинами, и делал это в гигантских масштабах, используя мили стальных труб.
«Я не собирался ничего обнаруживать на своем столе», — сказал он.
Для достижения необходимой точности измерения Вайс предложил использовать в качестве линейки свет. Он представил, как вставил лазер в изгиб «L». Он будет посылать луч по длине каждой трубки, который зеркало на другом конце будет отражать обратно. Скорость света в вакууме постоянна, поэтому до тех пор, пока трубки не будут очищены от воздуха и других частиц, лучи будут рекомбинировать на изгибе синхронно — если только не пройдет гравитационная волна. В этом случае расстояние между зеркалами и лазером изменится незначительно. Поскольку один луч теперь покрывает меньшее расстояние, чем его близнец, к тому времени, когда они вернутся, они больше не будут идти в ногу. Чем больше несоответствие, тем сильнее волна. Такой инструмент должен быть в тысячи раз более чувствительным, чем любое предыдущее устройство, и ему потребуется тонкая настройка, чтобы извлечь сигнал исчезающей слабости из вездесущего шума планеты.
Весной 1972 года Вайс описал свой проект как часть ежеквартального отчета о ходе работы своей лаборатории.
Эта статья никогда не публиковалась в научном журнале — это была идея, а не эксперимент, — но, по словам Кипа Торна, заслуженного профессора Калифорнийского технологического института, который, возможно, больше всего известен своей работой над фильмом «Интерстеллар», «это одна из самых величайшие работы, когда-либо написанные». Торн помнит, что читал отчет Вайса позже. «Если бы я это читал, я бы точно не понял», — сказал он. Действительно, исторический учебник Торна по теории гравитации, написанный в соавторстве с Чарльзом Мизнером и Джоном Уилером и впервые опубликованный в 1973, содержал студенческое упражнение, предназначенное для демонстрации невозможности измерения гравитационных волн с помощью лазеров. «Я довольно быстро развернулся, — сказал он мне.
Гравитационные волны — факты и информация
- Наука
- Объяснитель
Гравитационные волны создаются одними из самых мощных событий во Вселенной.
Гравитационные волны 101
Что такое гравитационные волны и как их обнаружить? Узнайте больше об этой ряби в пространстве-времени.
Гравитационные волны — это искажения в ткани пространства и времени, вызванные движением массивных объектов, например звуковые волны в воздухе или рябь на поверхности пруда, когда кто-то бросает в воду камень. Но в отличие от звуковых волн, образующих рябь, которая распространяется через среду, как вода, гравитационные волны — это колебания в самом пространстве-времени, а это означает, что они прекрасно перемещаются в космическом вакууме. И в отличие от плавного падения камня в пруд, события, вызывающие гравитационные волны, являются одними из самых мощных во Вселенной.
Мы можем слышать гравитационные волны в том же смысле, в каком звуковые волны проходят через воду или сейсмические волны проходят через землю. Разница в том, что звуковые волны вибрируют в среде, такой как вода или почва. Для гравитационных волн пространство-время является средой. Чтобы их услышать, нужен правильный инструмент.
Обнаружение гравитационных волн на Земле было задачей, на решение которой ушло около века, поскольку волны, проходящие через планету, невероятно малы.
Обнаружение гравитационных волн
Общая теория относительности Эйнштейна впервые предсказала существование гравитационных волн, что сам знаменитый ученый отметил в 1916 году. Хотя позже Эйнштейн сомневался в существовании волн, мы располагаем косвенными свидетельствами их существования с 1970-х годов.
В 1974 году астрономы Джо Тейлор и Рассел Халс отследили пару вращающихся звездных тел, называемых пульсарами. Когда пара пульсаров вращалась вокруг друг друга, они сближались, что указывало на то, что они излучали энергию. Расчеты показали, что эта потеря энергии происходила в форме гравитационных волн — открытие, которое принесло Тейлору и Халсу Нобелевскую премию в 1919 году.93.
Первое прямое обнаружение гравитационных волн произошло 14 сентября 2015 года, когда Американская лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (также известная как LIGO) зафиксировала гул, издаваемый двумя сталкивающимися черными дырами 1,3 миллиарда лет назад.
Ученые официально объявили об успехе в феврале 2016 года. В 2017 году трое ученых-основателей LIGO были удостоены Нобелевской премии по физике.
Начиная с 1970-х годов, физики, в том числе Райнер Вайс, Кип Торн и Барри Бэриш, набросали идею, которая позже стала LIGO. Обсерватория состоит из двух объектов: один в Луизиане, другой в штате Вашингтон. Каждое L-образное сооружение состоит из двух ответвлений длиной более двух миль, которые сходятся под прямым углом.
Направляя лазеры туда-сюда в каждом плече, физики могут измерять их длину с такой поразительной точностью, как если бы мы измеряли расстояние между нами и Альфой Центавра — ближайшей звездой за пределами нашей Солнечной системы — с точностью до волоска. Когда гравитационная волна проходит через Землю, она слегка растягивает одно из плеч и сжимает другое. Эти изменения длины изменяют время, которое требуется лазерным лучам, чтобы отскакивать назад и вперед, что, в свою очередь, изменяет рисунок, который лучи создают там, где они встречаются.
Отслеживая закономерности смещения во времени, исследователи могут наблюдать, как гравитационная волна распространяется по объекту.
LIGO имеет два устройства, так что оба детектора могут попытаться обнаружить одно и то же событие, фактически проверяя работу друг друга. Кроме того, разница во времени между каждым обнаружением показывает, в каком направлении пришли гравитационные волны, помогая астрономам, надеющимся точно определить источник в небе.
Что мы можем узнать из гравитационных волн?
Аналогия, которую используют некоторые физики, заключается в том, что гравитационные волны позволяют нам «слышать Вселенную». Чтобы было ясно, звуковые и гравитационные волны — это очень разные вещи. Но, наблюдая за событиями, происходящими во Вселенной при различных длинах световых волн, а также наблюдая за вибрациями гравитационных волн, мы можем приступить к тому, что известно как астрономия с несколькими посланниками.
Современные детекторы гравитационных волн могут обнаруживать волны, возникающие при слиянии нейтронных звезд и черных дыр.
По состоянию на конец 2018 года мы наблюдали 10 слияний пар черных дыр и одно слияние двух нейтронных звезд. По мере увеличения количества наблюдений астрономы смогут увидеть закономерности в количестве и массе известных черных дыр, что поможет обосновать теории о том, как они формируются и меняются с течением времени.
Но мы можем узнать еще больше о событиях, которые излучают как гравитационные волны, так и свет. 17 августа 2017 года у астрономов появилась первая возможность увидеть одно из таких событий, когда до Земли дошли сигналы от двух сливающихся нейтронных звезд — сверхплотных остатков мертвых звезд — которые вращались вокруг друг друга и столкнулись. Союз не только выпустил гравитационные волны, но и вызвал видимый взрыв, называемый килоновой.
Белые карлики, вращающиеся вокруг друг друга, как на изображении этого художника, представляют собой реальный источник гравитационных волн для изучения учеными.
Иллюстрация: Science History Images, Alamy
Пожалуйста, соблюдайте авторские права.
Несанкционированное использование запрещено.
Образовавшийся новый объект — скорее всего, черная дыра — выпустил струю высокоскоростных частиц сквозь окружающую дымку, создав послесвечение, которое было видно в течение нескольких дней или недель после этого. Это единственное событие предоставило убедительные доказательства того, что сталкивающиеся нейтронные звезды, вероятно, производят большую часть тяжелых элементов Вселенной, таких как золото и серебро. Как электроника и ювелирные изделия? Спасибо нейтронным звездам.
Физики также смогли использовать обнаружение для проверки теории относительности Эйнштейна, как никогда раньше. Теория относительности предсказывает, что световые и гравитационные волны от одного и того же события должны проходить через пространство одним и тем же путем. Однако другие теории гравитации предсказывают, что они должны прибыть на Землю в заметно разное время. В действительности световые и гравитационные волны прибыли с интервалом в несколько секунд друг от друга, а это означает, что гравитационные волны и свет реагируют на препятствия почти одинаково, с точностью до одной миллиардной доли.
Гравитационные волны также помогают прояснить другие аспекты основы нашей вселенной. Например, постоянную Хаббла, меру того, насколько быстро расширяется Вселенная, было сложно определить. Измерения послесвечения ранней Вселенной дают одно число, но оценки, сделанные с использованием гораздо более молодых звезд, дают другое число. Является ли расхождение просто проблемой выборки или ошибкой? Или постоянная Хаббла со временем менялась, что указывает на присутствие новых, причудливых частиц и взаимодействий?
Действуя как «стандартные сирены», обнаружение гравитационных волн обеспечивает независимый способ расчета постоянной Хаббла, что делает их главным арбитром в этом космическом споре.
Могут ли люди чувствовать гравитационные волны?
Воздействие гравитационных волн на Землю в тысячи раз меньше, чем ширина протона, одной из частиц, составляющих ядро атома. Тем не менее, гравитационные волны ослабевают по мере их распространения, как рябь на пруду. Чем ближе вы находитесь к двум сливающимся черным дырам, тем больше вы будете растягиваться и напрягаться.
Но как бы странно это ни звучало, гравитационная волна растягивает и сжимает данный объект в процентах от размера объекта. Если бы Земля была так же далеко от места слияния черных дыр, которое дало первое обнаружение LIGO, как и от Солнца, гравитационные волны растянули бы планету более чем на три фута. Но тела людей были бы растянуты всего на миллионную долю метра, что намного меньше, чем сжатие, которое вы чувствуете, когда подпрыгиваете и приземляетесь на землю.
Пропорциональная природа гравитационных волн — вот почему LIGO и другие обсерватории имеют такие большие руки. Чем больше обсерватория, тем больше — и более заметными — становятся изменения от волны.
Где находятся гравитационно-волновые обсерватории?
В 2017 году за пределами Пизы, Италия, открылась европейская обсерватория Virgo, которая присоединилась к LIGO и немецкому детектору GEO600. И таких объектов становится все больше: вскоре должен открыться японский детектор KAGRA, первый подземный детектор, а Индия строит планы по созданию собственного детектора.
Концепт этого художника изображает космический корабль ESA LISA Pathfinder, запущенный 3 декабря 2015 года для обнаружения гравитационных волн.
Иллюстрация ЕКА, НАСА
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
Кроме того, планируется запустить большие космические обсерватории. Европейское космическое агентство планирует вывести детектор под названием LISA на орбиту вокруг Солнца в 2030-х годах. В 2015 году ЕКА запустило космический корабль LISA Pathfinder для проверки необходимой технологии. Китайские исследователи предложили аналогичный детектор космического базирования под названием TianQin.
Тем временем астрономы продолжают следить за массивами пульсаров, чтобы отслеживать очень низкочастотные гравитационные волны. Мысль состоит в том, что, когда волна проходит через нее, она временно меняет время вращения каждого пульсара.
Через несколько десятилетий мы сможем услышать Вселенную, как никогда прежде, от глубокого грохота сливающихся сверхмассивных черных дыр до проворного чириканья сталкивающихся нейтронных звезд.
Вселенная полна света; теперь мы знаем, что он также полон музыки.
Читать дальше
Странная радость оживает в этом летнем приюте
- История и культура
Странная радость оживает в этом летнем лагере
«Для стольких детей на юге нет безопасного места быть ребенком». Музыкальный лагерь в Теннесси приглашает всех молодых людей, которые идентифицируют себя как девушки или небинарные, на рок.0005
Дьявол спустился в… Нью-Джерси?
- History Magazine
Дьявол спустился в… Нью-Джерси?
Рассказы о джерсийском дьяволе, крадущемся в Сосновых степях, веками пугали жителей, но происхождение крылатого монстра может быть связано с религиозными спорами в регионе 1600-х годов.
На редких фотографиях шимпанзе лечат свои раны насекомыми
- Животные
На редких фотографиях шимпанзе лечат свои раны насекомыми
Фотограф сделал снимки человекообразных обезьян в Габоне, применяющих неизвестный вид насекомых как к себе, так и к членам своей группы.