Волны пространства времени что это: Космос: Наука и техника: Lenta.ru

Содержание

Интерактивное демо показывает, что гравитация — не сила, а искривление пространства-времени / Хабр

alizar

Научно-популярное Физика

Разработчик Тим Хаттон из Microsoft выпустил демо гравитации в соответствии с Общей теорией относительности, в которой гравитация не является обычной силой или полем, а представляет собой искривление пространства-времени.

Все тела в таком искривлении движутся по прямой. Например, параболическое движение брошенного тела в гравитационном поле Земли — своеобразная иллюзия, которая возникает для внешнего наблюдателя, а на самом деле тело движется по прямой.


Согласно ОТО, любое массивное тело создаёт своеобразную воронку в пространстве-времени. Пролетающие мимо тела изменяют свою траекторию согласно изгибам искривлённого пространства.

С точки зрения движущихся тел они продолжают перемещаться по прямой. Просто они попали в искривлённое пространство и не осознают, что для постороннего наблюдателя демонстрируют непрямолинейную траекторию.

Нужно обратить внимание, что в такой ситуации искривляются четыре измерения, в том числе и время.

Для фотонов света понятие времени не существует, поскольку они движутся точно со скоростью света, то есть начинают и заканчивают движение в один момент времени, а все расстояния по направлению движения сокращаются до точки (см. «Как фотоны воспринимают время?»).

В системе на интерактивном демо есть только одно пространственное измерение, показанное на вертикальной оси и обозначенное метрами. Измерение времени — это горизонтальная ось, обозначенная в секундах. Гравитационное поле постоянно в пределах интересующей нас области.

Используйте первый ползунок, чтобы изменить ускорение в системе отсчёта. Когда у системы отсчёта нулевое ускорение, она называется инерциальной системой отсчёта (ИСО).

Второй ползунок перемещает временное окно. При этом все траектории остаются прямыми линиями в инерциальной системе отсчета.

На интерактивных диаграммах можно перетащить начальное и конечное положение каждого объекта, чтобы изменить его траекторию. Однако все траектории свободного падения в инерциальной системе отсчёта являются прямыми линиями.


P. S. Концепция искривления пространства-времени в виде гравитации удивительным образом пересекается с теорией плоскоземельщиков: «Если спутник не падает на Землю, значит траектория спутника и поверхности Земли не пересекается. То есть траектория спутника прямая. Следовательно и поверхность Земли плоская! Вот это поворот», — шутят в комментариях.

Теги:

  • ОТО
  • теория относительности
  • гравитация
  • пространство-время

Хабы:

  • Научно-популярное
  • Физика

Всего голосов 36: ↑35 и ↓1 +34

Просмотры

31K

Комментарии
128

Анатолий Ализар
@alizar

автор, фрилансер

Telegram

Комментарии
Комментарии 128

Что такое гравитация и как она работает, простыми словами

Люди с древности задумывались о том, какая сила притягивает предметы к Земле. Явление гравитации пытались объяснить такие великие умы, как Ньютон и Эйнштейн, но до сих пор оно остается не до конца изученным

Гравитация (от лат. gravis, «тяжелый») — это сила, которая притягивает два тела друг к другу. Все, что имеет материю, то есть все, к чему можно прикоснуться, имеет также гравитационное притяжение. Гравитация является одной из четырех фундаментальных сил во Вселенной наряду с электромагнетизмом, а также сильными и слабыми ядерными взаимодействиями. Хотя это самая слабая сила, она наиболее видима. Из-за работы гравитационной силы люди могут ходить по Земле, а планеты — вращаться по орбите вокруг Солнца.

Степень гравитации любого объекта пропорциональна его массе. Таким образом, объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Поскольку Земля является самым крупным и ближайшим объектом вокруг, то все предметы и объекты притягивается к ней. Например, яблоки падают на землю, а не притягиваются, к примеру, к голове человека.

Луна притягивается к Земле как к объекту с большей массой

(Фото: Shutterstock)

Расстояние также влияет на гравитацию. Чем дальше объект, тем гравитационное притяжение слабее.

Древние ученые, пытавшиеся описать мир, придумали собственные объяснения того, почему предметы падают на землю. Древнегреческий философ Аристотель утверждал, что объекты имеют естественную тенденцию двигаться к центру Вселенной, который, по его мнению, находился в середине Земли.

Однако поляк Николай Коперник в XVI веке понял, что траектории планет на небе определяются положением Солнца, которое и является центром Солнечной системы. Век спустя британский математик и физик Исаак Ньютон расширил идеи Коперника и пришел к выводу, что, поскольку Солнце притягивает планеты, все объекты притягиваются друг к другу.

В наши дни действующей теорией, описывающей гравитацию, является общая теория относительности Эйнштейна.

Классическая теория тяготения Ньютона

Английский физик Исаак Ньютон рассказывал, что идея о всемирном тяготении пришла ему в голову на прогулке. Он шел по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел Луну в дневном небе, а затем — как с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Ньютон к тому моменту уже работал над законами движения и понимал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Он также знал, что Луна не занимает статичную позицию в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, то есть, на нее воздействует какая-то сила, которая не дает спутнику улететь в космос. Физик понял, что, возможно, на яблоко и Луну действует одна и та же сила.

Предшественники Ньютона рассуждали иначе. Итальянский физик Галилео Галилей считал, что на Земле действует природное притяжение. Немецкий астроном Иоганн Кеплер полагал, что в небесных сферах действуют совсем иные законы движения, чем на Земле. Ньютон же объединил эти два типа гравитации в своем сознании.

Закон всемирного тяготения Ньютона, сформулированный им в 1687 году, гласит, что между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного притяжения. Он выражен математическим уравнением: если M и m — массы двух тел, а r — расстояние между ними, тогда сила F взаимного гравитационного притяжения между ними равна F = GMm/r², где G — гравитационная постоянная, равная силе, с которой действуют друг на друга тела с массами в 1 кг каждое, находясь на расстоянии в 1 метр друг от друга. Уравнение гласит, что сила (F) пропорциональна массам двух объектов, разделенным на квадрат расстояния между ними. Из него следует, что чем массивнее объекты, тем больше сила притяжения между ними, но чем дальше они друг от друга, тем слабее притяжение.

Закон гравитации Ньютона

(Фото: praxilabs.com)

Действие закона распространяется на все без исключения физические материальные тела во Вселенной. Сила притяжения Земли у ее поверхности в равной мере воздействует на все материальные тела, находящиеся в любой точке земного шара. На каждого человека действует сила земного притяжения, которая ощущается как вес.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит, что не только Земля притягивает яблоко, но и яблоко притягивает Землю. Но огромная масса Земли означает, что требуется гораздо больше силы, чтобы сдвинуть ее на ощутимую величину, поэтому яблоко падает, а Земля остается практически неподвижной. То же самое верно и в более широком контексте. Каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект, и чем он ближе и массивнее, тем больше его гравитационная сила.

По Ньютону, сила притяжения действует на любых расстояниях и мгновенно. Однако самая большая скорость в мире — скорость света, а для преодоления больших расстояний свету нужно не мгновение, а несколько секунд и иногда даже лет.

Теория гравитации Эйнштейна

В 1798 году британский физик Генри Кавендиш провел один из первых в мире высокоточных экспериментов, чтобы попытаться точно определить значение G, гравитационной постоянной. Он построил так называемые крутильные весы, прикрепив два маленьких свинцовых шарика к концам балки, подвешенной горизонтально на тонкой проволоке. Рядом с каждым из шаров физик поместил большой сферический свинцовый груз. Маленькие свинцовые шарики гравитационно притягивались к тяжелым свинцовым гирям, в результате чего проволока слегка скручивалась. Это явление позволило ему рассчитать величину G. 2. Чтобы получить точное значение, ученые должны разработать невероятно чувствительное оборудование.

Немецко-американский физик Альберт Эйнштейн произвел следующую революцию в нашем понимании гравитации. Его общая теория относительности показала, что гравитация возникает из-за искривления пространства-времени, а это означает, что даже лучи света, которые должны следовать этой кривизне, преломляются чрезвычайно массивными объектами. В рамках его теории гравитация рассматривается не как сила, которая действует на тела, но как искривление пространства и времени под действием массы и энергии.

Теории Эйнштейна использовались для предположений о существовании черных дыр — небесных объектов с такой большой массой, что даже свет не может выйти из-под их поверхности. Вблизи черной дыры закон всемирного тяготения Ньютона уже не может точно описать, как движутся объекты.

Теория, которую Эйнштейн опубликовал в 1915 году, расширила его специальную теорию относительности, которую ученый разработал за десятилетие до этого. Специальная теория относительности утверждала, что пространство и время неразрывно связаны, но эта теория не признавала существование гравитации.

В своей специальной теории относительности Эйнштейн определил, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей, не движущихся с ускорением, и показал, что скорость света в вакууме одинакова независимо от скорости, с которой движется наблюдатель. В результате он обнаружил, что пространство и время переплетаются, и события, происходящие в одно и то же время для одного наблюдателя, могут происходить в разное время для другого.

Разрабатывая уравнения своей общей теории относительности, Эйнштейн понял, что массивные объекты вызывают искажение пространства-времени. Представьте, что вы устанавливаете большой объект в центре батута. Объект вдавливался в ткань, вызывая появление ямочек. Если затем попытаться катить шарик по краю батута, он будет двигаться по спирали внутрь к этому объекту.

Вращение тяжелого объекта, такого как Земля, должно скручивать и искажать пространство-время вокруг него. В 2004 году NASA запустило гравитационный зонд Gravity Probe B. По данным агентства, оси точно откалиброванных гироскопов спутника с течением времени очень незначительно дрейфовали, что соответствует теории Эйнштейна.

Эйнштейн предсказал, что такие события, как столкновение двух черных дыр, создают рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны. А в 2016 году Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) объявила, что впервые определила такой сигнал. Гравитационная волна была вызвана столкновением двух черных дыр массой в 29 и 36 раз больше массы Солнца. После этого они слились в одну большую черную дыру. Это произошло, предположительно, 1,3 млрд лет назад.

Гравитационные волны, создаваемые двумя сталкивающимися черными дырами

(Фото: Р. Хёрт / Caltech-JPL)

С тех пор LIGO и ее европейский аналог Virgo обнаружили в общей сложности 50 гравитационно-волновых событий.

Чему равна сила гравитации

Гравитационное поле Земли — это поле силы тяжести, которое образуется из-за силы тяготения Земли и центробежной силы, вызванной ее суточным вращением.

Сила тяжести на поверхности Земли варьируется от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах. В приблизительных расчетах значение обычно принимают равным 9,81; 9,8 или 10 м/с². Однако оно учитывает только силу тяжести и не учитывает центробежную силу, возникающую за счет вращения Земли. При подъеме тела над поверхностью Земли значение уменьшается.

NASA в рамках проекта GRACE создало визуализацию гравитационных аномалий на Земле. Красным цветом показаны области, где гравитация сильнее, а синим — где она слабее стандартных значений

(Фото: NASA)

Французские ученые утверждают, что различие в гравитационной постоянной в различных регионах нашей планеты зависит от величины напряженности магнитного поля Земли. Они предположили, что такое влияние может объясняться наличием дополнительных и скрытых для непосредственного наблюдения измерений пространства. Ученые подсчитали, что земное тяготение будет сильнее в тех местах, где сильнее магнитное поле. Таким образом, своих максимальных значений оно достигает в районах северного и южного магнитных полюсов. Они не совпадают с географическими полюсами. Так, северный магнитный полюс располагается в границах нынешней канадской Арктики, а южный лежит на краю Антарктиды.

Если принимать значение гравитации на Земле за единицу, то на Солнце оно будет равно 27,9, на Меркурии — 0,37, на Венере — 0,9, на Луне — 0,16, на Марсе — 0,37, на Юпитере — 2,6. Таким образом, если человек, который на Земле весит 60 кг, взвесится на Юпитере, то весы покажут 142 кг.

Космонавты на орбите также испытывают микрогравитацию. Они как бы бесконечно падают вместе с кораблем, в котором находятся.

Современное представление о гравитации

Научные исследования в области гравитации продолжаются. Теория относительности Эйнштейна объясняет некоторые аномалии в ньютоновской гравитации; однако открытия в атомной, ядерной физике и физике элементарных частиц показали, что ее нельзя отнести к взаимодействиям в квантовой физике. Проще говоря, эйнштейновская теория не работает в микромире. В связи с этим получило развитие направление «квантовой гравитации» или квантового описания гравитационного взаимодействия.

Однако теория квантовой гравитации пока не построена. Основная трудность заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино, — квантовая механика и общая теория относительности — опираются на разные наборы принципов. Первая описывает временну́ю эволюцию физических систем (например, атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени. Во второй внешнего пространства-времени вообще нет — оно само является динамической переменной в теории.

В квантовой гравитации развиваются два основных направления — это теория струн и петлевая квантовая гравитация. В первой теории вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги — браны.

Во второй делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону; пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Это маленькие квантовые ячейки пространства, которые определенным способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают дискретную структуру пространства, а в больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Предполагается, что именно петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, который предшествовал образованию Вселенной.

Сотрудники Университета штата Пенсильвания с 1980-х годов разрабатывают парадигму, основанную на представлении о петлевой квантовой гравитации. Она описывает все современные крупные структуры во Вселенной как квантовые флуктуации пространства-времени, имевшие место при рождении мира.

Существующая теория Большого взрыва, как уже говорилось, не объясняет, что было до зарождения Вселенной. Ученые из Пенсильвании придерживаются альтернативной гипотезы Большого отскока, согласно которой текущая расширяющаяся Вселенная возникла из распада предыдущей вселенной. Для описания этого состояния они объединили квантовую механику и теорию относительности. Авторы работы утверждают, что смогли описать космическое излучение, которое возникло непосредственно после зарождения Вселенной. Они заявили, что в эйнштейновскую ткань пространства-времени вплетены квантовые нити. Именно это в будущем может позволить объяснить, почему галактики и материя распространены во Вселенной неравномерно.

В 1990-х годах астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Это противоречит предсказаниям общей теории относительности, согласно которой гравитация должна замедлять расширение. Чтобы объяснить это явление, космологи начали ссылаться на «темную энергию», силу, которая составляет почти три четверти материи и энергии во Вселенной и поэтому раздвигает ее. Но происхождение темной энергии по сей день остается загадкой. Некоторые исследователи пытаются объяснить ускорение расширения Вселенной без темной энергии, предполагая, что если общая теория относительности неверна, а гравитация ослабевает в космических масштабах. Но до сих пор никто не придумал способ проверить данную теорию.

Существует и такое понятие как антигравитация — предполагаемое противодействие, которое гасит или даже превышает гравитационное притяжение путем отталкивания.

Нынешний подход к антигравитации заключается в том, чтобы освободить объект от действия силы тяжести, чтобы он какое-то время не был подвержен гравитации. Например, полет человека в аэродинамической трубе обеспечивается за счет того, что силе тяжести противодействует поток воздуха.

Полет в аэротрубе

(Фото: FlyStation)

Пока вопрос существования антигравитации как самостоятельного явления остается открытым, так как само явление гравитации только изучается.

Как преодолеть гравитацию

Чтобы преодолеть силу гравитации Земли, тело должно иметь скорость, равную 7,91 км/с. Это первая космическая скорость. Ее достаточно, чтобы объект двигался по орбите вокруг планеты. Чтобы вырваться из гравитационного поля Земли, космический корабль должен иметь скорость не менее 11,2 км/с. Это вторая космическая скорость. Чтобы выйти за гра­ни­цу сфе­ры зем­но­го при­тя­же­ния, которая заканчивается на рас­стоя­нии около 930 тыс. км от Зем­ли, ско­рость объ­ек­та долж­на со­став­лять около 16,6 км/с. Это третья космическая скорость.

Если бы не было гравитации

В соответствии с вышеприведенными законами физики на практике такая ситуация невозможна.

Бывший астронавт NASA, физик Джей Баки, отмечает, что наш организм адаптирован к силе земного притяжения. Когда сила тяжести почти исчезает (например, на борту МКС), организм начинает перестраиваться. За время миссий в космосе члены экипажей кораблей теряют костную массу и мышечный тонус, а также чувство равновесия.

Доктор Кевин Фонг добавляет, что количество эритроцитов в организме падает, что приводит к так называемой космической анемии. При этом раны заживают дольше, а также снижается иммунитет, наблюдаются проблемы со сном. Таким образом, в отсутствие гравитации мышцы, вестибулярный аппарат, сердце и кровеносные сосуды развивались бы иначе.

Астроном Карен Мастерс из Портсмутского университета в Великобритании предположил, что в отсутствие гравитации Земля начала бы вращаться с большой угловой скоростью как раскручиваемая над головой веревка. Таким образом, любые объекты на планете улетели бы прямо в космос, как и вода с атмосферой. Только укрепленные строения могли бы какое-то время держаться на поверхности Земли.

В конечном счете отсутствие гравитации разрушит саму планету. Земля развалится на части, которые разлетятся в разные стороны.

Похожий пример, но с Солнцем, приводит канал Discovery News в своем видео.

Что произойдет, если гравитации не станет

Без гравитации не осталось бы ни звезд, ни планет, а Вселенная стала бы смесью рассеянных атомов и молекул.

Возможна ли искусственная гравитация

Когда человек оказывается в космосе, далеко от гравитационных воздействий, испытываемых на поверхности Земли, он переживает невесомость. Хотя все массы Вселенной продолжат притягивать его, они продолжат притягивать и космический корабль, поэтому человек как бы «плавает» внутри него. В связи с этим возникает вопрос — как создать условия искусственной гравитации, при которых человек сможет не летать, а спокойно ходить по космическому кораблю?

Пока нужный эффект можно получить только через ускорение. В случае с космическим кораблем — заставить его вращаться. Тогда можно можно получить центробежную тягу, как на Земле. Но для путешествия в другую звездную систему придется ускорять корабль по пути туда и замедлять по прибытии обратно. Человеческий организм вряд ли сможет перенести такие нагрузки. Например, чтобы разогнаться до «импульсной скорости» как в фильме «Звездный путь», до нескольких процентов от скорости света, то пришлось бы выдержать ускорение в 4000 g (единиц ускорения, вызванного гравитацией) в течение часа. Это в 100 раз больше ускорения, которое предотвращает ток крови в теле человека. В Роскосмосе изучают идею встроенной центрифуги на борту корабля, в которую космонавты смогут периодически заходить, чтобы испытывать силу тяжести и снижать негативные последствия от пребывания в невесомости.

Кадр из фильма «Звездный путь»

(Фото: YouTube)

Предполагалось, что искусственная гравитация возможна при отрицательной гравитационной массе, которая, как ожидалось, свойственна антиматерии. Однако Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) обнаружила, что инертная масса антипротона («зеркального отражения» протона, который отличается знаками всех характеристик физического взаимодействия) совпадает с массой протона. Если бы гравитация действовала на антипротоны как-то иначе, то физики заметили бы разницу. Получается, что действие гравитации на антипротоны и протоны совпадает. Кроме того, в ЦЕРН получили антиводород — первую стабильную форму антиматерии. Но ее изучают, и пока сдвигов в теории антиматерии нет.

Вселенная помнит гравитационные волны — и мы можем их найти

Художественная иллюстрация двух черных дыр, сливающихся и создающих рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны.
(Изображение предоставлено LIGO/T. Pyle)

Пол М. Саттер — астрофизик по телефону Университет штата Огайо , ведущий Спросите космический корабль и Космос , и автор » Ваше место во Вселенной. » Саттер предоставил эту статью для Space.com Expert Voices: Op-Ed & Insights . возможны катаклизмы. 

С помощью таких объектов, как Лазерный интерферометр Гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и Virgo, мы теперь можем обнаружить самую сильную из этих волн, когда они омывают Землю. Но гравитационные волны оставляют после себя память — неизгладимое изгибаются в пространстве-времени — когда они проходят, и теперь мы находимся на грани того, чтобы обнаружить и это, что позволяет нам довести наше понимание гравитации до предела9.0039

Связанный: Охота на гравитационные волны: проект лазерного интерферометра LIGO в фотографиях

Волны гравитации как действует гравитация. С этой точки зрения пространство и время сливаются в единую структуру, известную как (здесь нет ничего удивительного) пространство-время. Это пространство-время — не просто фиксированная стадия, оно изгибается и изгибается в ответ на присутствие материи и энергии.

Это искривление, искривление и искривление пространства-времени далее указывает материи, как двигаться. В общей теории относительности все, от кусочков света до мчащихся пуль и взрывающихся космических кораблей, стремится двигаться по прямой. Но пространство-время вокруг них искривлено, заставляя их всех следовать изогнутым траекториям — как пытаться пересечь горный перевал по прямой, но следуя пикам и долинам топографии.

То, что мы называем « гравитацией «, является результатом всего этого искривления пространства-времени и того факта, что у движущихся объектов нет другого выбора, кроме как следовать кривым и неровностям пространства-времени вокруг него.

Как и любая другая гибкая поверхность, пространство-время не просто изгибается и изгибается; тоже вибрирует.

Если вы встанете на батут, вы согнете батут вниз. Если кто-то попытается пройтись по батуту рядом с вами, он почувствует вашу «тяжесть» и будет вынужден следовать по извилистой дорожке. Но достаточно далеко от вас, они даже не заметят вашего гравитационного воздействия.

Но если вы начнете прыгать вверх и вниз на батуте, вы будете посылать волны и дрожь через все это, и они не могут не зависеть от вашего движения.

Вспоминая прошлое

Гравитационные волны действуют таким же образом, передавая энергию через рябь в ткани самого пространства-времени. Эта рябь возникает почти от любого возможного движения, но поскольку гравитация настолько слаба (это самая слабая сила природы, миллиардов раз), а гравитационные волны еще слабее, только самые энергичные движения способны создавать рябь, которую можно обнаружить с помощью инструментов здесь, на Земле.

К настоящему времени наши гравитационно-волновые обсерватории LIGO и Virgo зафиксировали десятки катастрофических событий, включающих слияния массивных черных дыр и нейтронных звезд. Гравитационные волны от этих событий распространяются по Вселенной, омывая Землю. Когда они это делают, они слегка (например, меньше ширины атома) перемещают предметы.

Даже ты. Прямо сейчас вас нежно сжимают и растягивают гравитационные волны, вызванные насильственными событиями, происходящими за миллиарды световых лет от вас.

Вы можете подумать, что событие закончилось, как только волна пройдет, подобно волне, обрушившейся на вас на пляже и выброшенной на берег. Но гравитация — сложная штука, а гравитационные волны еще сложнее.

Почти любое движение вызывает генерацию гравитационной волны, от столкновения черных дыр друг с другом до взмаха рукой. И даже сами гравитационные волны.

Когда гравитационные волны колеблются в пространстве-времени, они становятся источником новых гравитационных волн, которые становятся источником новых гравитационных волн, которые становятся источником новых гравитационных волн, и так далее. Каждое новое поколение волн слабее предыдущего, но эффект выливается в то, что ученые называют пространственно-временной «памятью» — постоянное искажение пространства-времени, оставленное проходящей гравитационной волной.

Другими словами, когда гравитационные волны омывают вас, вы не просто временно растягиваетесь и сжимаетесь. Когда все сказано и сделано, вы остаетесь постоянно растянутым.

Связанный: Изображения: Черные дыры Вселенной

Взгляд в будущее

Поскольку гравитационные волны, создаваемые гравитационными волнами, настолько слабы, мы не нашли никаких доказательств существования этого пространства-времени. память», но она должна быть там, скрываясь в данных, полученных LIGO и Virgo. Что мы должны увидеть, так это продолжительное смещение положения детекторов, намного позже прохождения подтвержденного гравитационно-волнового события.

Недавно группа астрономов исследовала, что потребуется, чтобы наконец увидеть гравитационно-волновую память. Поскольку каждое отдельное обнаружение оставляет после себя лишь невероятно слабую память, мы не сможем увидеть такие явления поодиночке. Вместо этого мы должны сложить вместе несколько событий, чтобы собрать доказательства, необходимые для обозначения обнаружения.

А сколько событий нам понадобится? Исследователи предсказывают, что нам потребуется зарегистрировать около 2000 отдельных слияний черных дыр 9.0006, прежде чем мы сможем обнаружить оставленную постоянную память. Такого количества обнаружений не произойдет в ближайшее время, но следующее поколение гравитационно-волновых обсерваторий, которые, как мы надеемся, будут собирать около 10 событий в день, смогут найти эту память в течение года наблюдений.

Эта постоянная пространственно-временная память должна быть там — если наши предсказания общей теории относительности верны. И если мы ничего не найдем после нескольких лет поисков, нам придется пересмотреть наше понимание гравитации и посмотреть, не забыли ли мы что-нибудь.

Подробнее: » Спасибо за память: измерение гравитационно-волновой памяти в первом каталоге транзиентов гравитационных волн LIGO/Virgo »

  • Epic Gravitational Wave It
  • «Новая эра» астрофизики: почему гравитационные волны так важны
  • История и структура Вселенной (инфографика)

Вы можете послушать подкаст Ask A Spaceman на iTunes (открывается в новой вкладке) и в Интернете по номеру http://www.askaspaceman.com . Задайте свой вопрос в Твиттере, используя хэштег #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter . Следите за нами в Твиттере @Spacedotcom или Facebook .

Нужно больше места? Подпишитесь на наш родственный журнал «Все о космосе» (открывается в новой вкладке) , чтобы быть в курсе последних потрясающих новостей с последнего рубежа! (Изображение предоставлено All About Space)

(открывается в новой вкладке)

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected] com.

Пол М. Саттер — астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, а затем стажировался в Триесте, Италия. регионов Вселенной до самых ранних моментов Большого Взрыва до охоты за первыми звездами. В качестве «звездного агента» Пол уже несколько лет страстно вовлекает общественность в популяризацию науки. Он ведущий популярной программы «Спроси космонавта!» подкаста, автор книг «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», часто появляется на телевидении, в том числе на канале «Погода», где он является официальным специалистом по космосу.

как уловить гравитационные волны Эйнштейна

Альберт Эйнштейн принял принципиальное решение революционизировать наше понимание гравитации в статье, опубликованной в 1916 году. Спустя почти 100 лет ключевое предсказание теории Эйнштейна ускользнуло от прямого обнаружения. Глобальные усилия по обнаружению гравитационных волн могут с ностальгией сделать это к 100-летнему юбилею.

Физика гравитационных волн является ключом к пониманию многих аспектов нашей вселенной. Помимо многого другого, эксперименты с гравитационными волнами могут:

  • понимать правильность теории Эйнштейна в областях Вселенной, недоступных для наблюдения другими методами

  • напрямую исследует физику экзотических объектов, таких как черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики, сверхновые звезды, гамма-всплески, космические струны и т. д.

  • предоставляют новые и независимые тесты космологии, включая скорость расширения Вселенной.

Научная отдача от науки о гравитационных волнах, несомненно, огромна (хотя следует отметить, что требуемые инвестиции также высоки, а отдельные эксперименты стоят сотни миллионов долларов).

Чтобы понять этот научный потенциал, мы должны сначала понять, как создаются и обнаруживаются гравитационные волны. Для этого нам требуется понимание теории гравитации Эйнштейна — общей теории относительности.

Теория относительности Эйнштейна

Несколько парадоксально, но общая теория относительности утверждает, что гравитация — это , а не сила. Вместо этого это результат перемещения объектов по кратчайшему возможному расстоянию между любыми двумя точками искривленной геометрии. Это не трехмерная геометрия пространства, а четырехмерное пространство-время (т.е. одно время плюс три пространственных измерения).

Есть красивая аналогия с шаром для боулинга и шариком на батуте. Представьте, что вы кладете шар для боулинга на поверхность батута. Это приводит к искривлению батута в области вокруг мяча, аналогично искривлению пространства-времени вокруг массивного объекта, такого как солнце.

Большие объекты искривляют окружающее их пространство-время.
http://www.zamandayolculuk.com/cetinbal/htmldosya1/RelativityFile.htm

Если мы пренебрежем трением, мы можем представить, что шарик катится по поверхности батута так, что он вращается вокруг шара для боулинга. Между двумя шарами не действуют никакие силы — шар для боулинга искривляет поверхность батута, а шарик просто катится по геодезическим этой искривленной поверхности.

Аналогично, нет никаких «сил», действующих между Солнцем и Землей – Солнце искривляет пространство-время, а Земля движется по геодезической этого искривленного пространства-времени.

Но что такое гравитационные волны?

Когда наш маленький шарик катится по поверхности батута, как утки, плывущие по воде, на ткани батута образуются очень мелкие ряби, которые удаляются от мрамора.

Аналогично, когда любая масса движется в пространстве, в ткани пространства-времени возникают ряби, которые удаляются от движущегося объекта со скоростью света. Эта рябь — гравитационные волны.

Эти волны переносят энергию из системы, и этот факт был использован в 1974 году, чтобы косвенно сделать вывод об их существовании. Рассел Халс и Джозеф Тейлор с большой точностью измерили орбиту двойной системы нейтронных звезд и обнаружили, что орбита сокращается на 3 мм каждые восемь часов.

Это наблюдение совпало с предсказанной потерей энергии из-за гравитационных волн с такой точностью, что в 1993 году Халс и Тейлор были удостоены Нобелевской премии по физике.

Как мы можем напрямую обнаружить эти волны?

Обнаружение Халсом и Тейлором гравитационных волн было косвенным, в том смысле, что они только сделали вывод об их существовании, исключив другие варианты. С 1960-х годов физики пытались построить детекторы гравитационных волн, которые будут обнаруживать их присутствие напрямую.

Чтобы понять методы прямого обнаружения, мы должны сначала понять влияние гравитационной волны на проходящие частицы.

Рассмотрим кольцо из частиц, расположенных по идеальной окружности. Прохождение гравитационной волны заставит эти частицы деформироваться в эллипс, колебаться обратно в круг, а затем в другой эллипс, перпендикулярный первому. Эта картина будет продолжаться, когда гравитационная волна пройдет через наше кольцо пробных частиц.

Кольцо пробных частиц под действием гравитационной волны.

Это движение пробных масс предполагает очевидный метод обнаружения – интерферометрию Майкельсона. Суть интерферометрии заключается в разделении одного лазерного луча на два, каждый из которых движется под прямым углом к ​​другому. Каждый луч проходит определенное расстояние, попадает в зеркало и возвращается в исходную точку, в которой он разделился, рекомбинируя, чтобы снова сформировать единый луч.

Если гравитационной волны нет, каждый луч пройдет одинаковое расстояние, а объединенный луч будет иметь определенную интерференционную картину, вызванную рекомбинацией света. Но когда через систему проходит гравитационная волна, относительная длина каждого плеча будет колебаться вперед и назад, и результирующая интерференционная картина будет отражать это движение. Звучит просто…

Интерферометр Майкельсона используется для обнаружения гравитационных волн. По мере прохождения волны каждое из плеч интерферометра изменяет длину на разную величину.
Викисклад

Вся сложность обнаружения гравитационных волн заключается в их размере.

Наша аналогия с батутом снова полезна. Большой шар для боулинга, катящийся по поверхности батута, будет давать значительно большую рябь, чем наш оригинальный мрамор. Точно так же движение Земли в космосе вызывает относительно небольшую рябь по сравнению с движением сверхмассивной черной дыры.

Экзотические события, такие как сверхновые звезды или слияние двух черных дыр, таким образом, представляют собой наилучших кандидатов на испускание больших гравитационных волн. И под «большой» гравитационной волной я подразумеваю маленькую! Самые сильные волны изменяют положение частиц не более чем на одну миллионную часть.

И именно в этом сложность измерения этих волн. Чтобы успешно обнаружить некоторые из самых больших гравитационных волн во Вселенной, нам нужно измерить изменение расстояния порядка одной миллионной доли. Это число объясняет, почему на обнаружение гравитационных волн ушло почти 100 лет!

Всемирные усилия по обнаружению

Всемирная сеть интерферометров Майкельсона была построена для непосредственного обнаружения этих крошечных гравитационных волн. Существует Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), представляющая собой сеть из трех детекторов, расположенных в США. Есть детектор Virgo, расположенный недалеко от Пизы, Италия, и детектор GEO600, расположенный недалеко от Ганновера, Германия.

Детектор гравитационных волн LIGO в Хэнфорде, США.
ЛИГО

Есть дальнейшие планы по созданию детекторов гравитационных волн в Японии, Индии и даже в космосе, хотя эти последние планы временно отложены.

У нас даже есть мини-детектор гравитационных волн на заднем дворе, и мы активно планируем расширение до полноразмерной версии в среднесрочной перспективе. Австралийская международная гравитационная обсерватория (AIGO) — это объект для разработки технологии гравитационных волн, расположенный в Гингине, недалеко от Перта.

Более 60 ученых по всей Австралии являются активными членами Научного сотрудничества LIGO (которое в настоящее время насчитывает более 800 человек), работающих над самыми разными темами, от лазерных и зеркальных технологий до моделирования источников и анализа данных.