Какъв физически ефект направи възможно откриването на гравитационни вълни. Гравитационни вълни, вълнови детектори и LIGO

Гравитационни вълни - образ на художника

Гравитационните вълни са смущения на пространствено-времевата метрика, които се отделят от източника и се разпространяват като вълни (така наречените „пространствено-времеви вълни“).

В общата теория на относителността и в повечето други съвременни теории за гравитацията, гравитационните вълни се генерират от движението на масивни тела с променливо ускорение. Гравитационните вълни се разпространяват свободно в пространството със скоростта на светлината. Поради относителната слабост на гравитационните сили (в сравнение с други), тези вълни имат много малък магнитуд, който трудно се регистрира.

Поляризирана гравитационна вълна

Гравитационните вълни се предсказват от общата теория на относителността (ОТО) и много други. Те бяха открити за първи път директно през септември 2015 г. от два двойни детектора, които записаха гравитационни вълни, вероятно резултат от сливането на двете и образуването на още една масивна въртяща се черна дупка. Косвени доказателства за тяхното съществуване са известни от 70-те години на миналия век - общата теория на относителността предсказва скоростта на сближаване на близки системи, която съвпада с наблюденията поради загуба на енергия за излъчване на гравитационни вълни. Директното регистриране на гравитационните вълни и използването им за определяне на параметрите на астрофизичните процеси е важна задача на съвременната физика и астрономия.

В рамките на общата теория на относителността гравитационните вълни се описват чрез решения на уравненията на Айнщайн от вълнов тип, които представляват смущение на метриката пространство-време, движещо се със скоростта на светлината (в линейно приближение). Проявата на това смущение трябва да бъде по-специално периодична промяна в разстоянието между две свободно падащи (т.е. незасегнати от никакви сили) тестови маси. Амплитуда чгравитационната вълна е безразмерна величина - относително изменение на разстоянието. Предсказаните максимални амплитуди на гравитационните вълни от астрофизични обекти (например компактни двойни системи) и явления (експлозии, сливания, улавяне от черни дупки и др.) са много малки, когато се измерват в ( ч=10 −18 -10 −23). Слабата (линейна) гравитационна вълна според общата теория на относителността носи енергия и импулс, движи се със скоростта на светлината, напречна е, четириполюсна и се описва от две независими компоненти, разположени под ъгъл 45° една спрямо друга (има две посоки на поляризация).

Различни теории предсказват скоростта на разпространение на гравитационните вълни по различни начини. В общата теория на относителността тя е равна на скоростта на светлината (в линейно приближение). В други теории за гравитацията тя може да приеме всякаква стойност, включително ad infinitum. Според данните от първата регистрация на гравитационните вълни, тяхната дисперсия се оказа съвместима с безмасовия гравитон, а скоростта беше оценена като равна на скоростта на светлината.

Генериране на гравитационни вълни

Система от две неутронни звезди създава вълни в пространство-времето

Гравитационна вълна се излъчва от всяка материя, движеща се с асиметрично ускорение. За появата на вълна със значителна амплитуда е необходима изключително голяма маса на излъчвателя или / и огромни ускорения, амплитудата на гравитационната вълна е право пропорционална на първа производна на ускорениетои масата на генератора, т.е. ~ . Ако обаче някакъв обект се движи с ускорена скорост, това означава, че някаква сила действа върху него от страната на друг обект. На свой ред този друг обект изпитва обратното действие (според 3-тия закон на Нютон), докато се оказва, че м 1 а 1 = − м 2 а 2 . Оказва се, че два обекта излъчват гравитационни вълни само по двойки и в резултат на интерференция те взаимно се гасят почти напълно. Следователно гравитационното лъчение в общата теория на относителността винаги има характер поне на квадруполно лъчение по отношение на многополярността. В допълнение, за нерелативистични излъчватели, изразът за интензитета на излъчване съдържа малък параметър, където е гравитационният радиус на излъчвателя, r- неговия характерен размер, T- характерен период на движение, ° Се скоростта на светлината във вакуум.

Най-силните източници на гравитационни вълни са:

• сблъсък (гигантски маси, много малки ускорения),
• гравитационен колапс на двоична система от компактни обекти (колосални ускорения с доста голяма маса). Като специален и най-интересен случай - сливането на неутронни звезди. В такава система светимостта на гравитационните вълни е близка до най-високата възможна светимост на Планк в природата.

Гравитационни вълни, излъчвани от система от две тела

Две тела, движещи се по кръгови орбити около общ център на масата

Две гравитационно свързани тела с маси м 1 и м 2, движещи се нерелативистично ( v << ° С) в кръгови орбити около техния общ център на маса на разстояние rедин от друг, излъчват гравитационни вълни със следната енергия средно за периода:

В резултат на това системата губи енергия, което води до сближаване на телата, тоест до намаляване на разстоянието между тях. Скорост на приближаване на телата:

За Слънчевата система, например, подсистемата и произвежда най-голямото гравитационно излъчване. Мощността на това излъчване е приблизително 5 киловата. По този начин енергията, която слънчевата система губи от гравитационното излъчване на година, е напълно незначителна в сравнение с характерната кинетична енергия на телата.

Гравитационен колапс на двойна система

Всяка двойна звезда, когато нейните компоненти се въртят около общ център на масата, губи енергия (както се предполага - поради излъчването на гравитационни вълни) и в крайна сметка се слива заедно. Но за обикновените, некомпактни двойни звезди този процес отнема много дълго време, много повече от сегашната епоха. Ако бинарната компактна система се състои от двойка неутронни звезди, черни дупки или комбинация от двете, тогава сливането може да се случи след няколко милиона години. Първо, обектите се приближават един към друг и периодът им на революция намалява. След това на последния етап има сблъсък и асиметричен гравитационен колапс. Този процес продължава част от секундата и през това време енергията се губи в гравитационно излъчване, което според някои оценки е повече от 50% от масата на системата.

Основни точни решения на уравненията на Айнщайн за гравитационни вълни

Телесни вълни на Бонди - Пирани - Робинсън

Тези вълни се описват с метрика от формата . Ако въведем променлива и функция , тогава от уравненията на GR получаваме уравнението

Такено метрика

има формата , -функции, отговарят на същото уравнение.

Метрика на Росен

Къде задоволяват

Метрика на Перес

При което

Цилиндрични вълни на Айнщайн-Розен

В цилиндрични координати такива вълни имат формата и се изпълняват

Регистрация на гравитационни вълни

Регистрацията на гравитационните вълни е доста сложна поради слабостта на последните (малко изкривяване на метриката). Уредите за тяхното регистриране са детектори за гравитационни вълни. От края на 60-те години на миналия век се правят опити за откриване на гравитационни вълни. Гравитационни вълни с откриваема амплитуда се произвеждат по време на колапса на двойна система. Подобни събития се случват в околностите приблизително веднъж на десетилетие.

От друга страна, общата теория на относителността предвижда ускоряване на взаимното въртене на двойните звезди поради загубата на енергия за излъчване на гравитационни вълни и този ефект е надеждно регистриран в няколко известни системи от двоични компактни обекти (по-специално пулсари с компактни спътници). През 1993 г. „за откриването на нов тип пулсар, който дава нови възможности в изследването на гравитацията“ на откривателите на първия двоен пулсар PSR B1913+16 Ръсел Хълс и Джоузеф Тейлър младши. е удостоен с Нобелова награда по физика. Ускорението на въртене, наблюдавано в тази система, напълно съвпада с прогнозите на общата теория на относителността за излъчване на гравитационни вълни. Същото явление е регистрирано в няколко други случая: за пулсарите PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (обикновено съкратено J0651) и двоичната система RX J0806. Например разстоянието между двата компонента A и B на първата двойна звезда от двата пулсара PSR J0737-3039 намалява с около 2,5 инча (6,35 cm) на ден поради загуба на енергия от гравитационни вълни и това се случва в съответствие с обща теория на относителността. Всички тези данни се тълкуват като косвено потвърждение за съществуването на гравитационни вълни.

Според оценките най-силните и най-честите източници на гравитационни вълни за гравитационните телескопи и антени са катастрофи, свързани с колапса на двойни системи в близки галактики. Очаква се в близко бъдеще усъвършенстваните гравитационни детектори да регистрират няколко такива събития годишно, изкривявайки показателите в близост с 10 −21 -10 −23 . Първите наблюдения на оптико-метричния параметричен резонансен сигнал, който позволява да се открие ефектът на гравитационните вълни от периодични източници от близък двоичен тип върху излъчването на космическите мазери, може да са получени в Радиоастрономическата обсерватория на Русия Академия на науките, Пущино.

Друга възможност за откриване на фона на гравитационните вълни, изпълващи Вселената, е високоточното определяне на времето на далечни пулсари - анализ на времето на пристигане на техните импулси, което характерно се променя под действието на гравитационните вълни, преминаващи през пространството между Земята и пулсара. Според оценките през 2013 г. точността на синхронизирането трябва да се увеличи с около един порядък, за да могат да се откриват фонови вълни от множество източници в нашата вселена и тази задача може да бъде решена преди края на десетилетието.

Според съвременните представи нашата Вселена е изпълнена с реликтови гравитационни вълни, появили се в първите мигове след това. Регистрацията им ще дава информация за процесите в началото на раждането на Вселената. На 17 март 2014 г. в 20:00 часа московско време в Центъра за астрофизика Харвард-Смитсониън, американска група изследователи, работещи по проекта BICEP 2, обявиха откриването на ненулеви тензорни смущения в ранната Вселена чрез поляризация на CMB, което е и откритието на тези реликтови гравитационни вълни . Въпреки това, почти веднага този резултат беше оспорен, тъй като, както се оказа, приносът на . Един от авторите, J. M. Kovats ( Ковач Дж.М.), призна, че „с тълкуването и отразяването на данните от експеримента BICEP2 участниците в експеримента и научните журналисти са били малко прибързани“.

Експериментално потвърждение за съществуването

Първият записан сигнал от гравитационна вълна. Вляво, данни от детектора в Hanford (H1), вдясно, в Livingston (L1). Времето се брои от 14 септември 2015 г., 09:50:45 UTC. За визуализиране на сигнала той беше филтриран от честотен филтър с честотна лента 35-350 Hz за потискане на големи колебания извън обхвата на висока чувствителност на детекторите; използвани са и лентови филтри за потискане на шума на самите инсталации. Горен ред: напрежения h в детекторите. GW150914 първо пристигна в L1 и след 6 9 +0 5 −0 4 ms в H1; за визуално сравнение, данните от H1 са показани в диаграмата L1 обърнати и изместени във времето (за да се вземе предвид относителната ориентация на детекторите). Втори ред: напрежения h от сигнала на гравитационната вълна, преминали през същия лентов филтър 35-350 Hz. Плътната линия е резултат от числената относителност за система с параметри, съвместими с тези, открити въз основа на изследване на сигнала GW150914, получен от два независими кода с резултатно съвпадение от 99,9. Сивите дебели линии са 90% доверителни интервали на формата на вълната, възстановена от данните на детектора чрез два различни метода. Тъмносивата линия моделира очакваните сигнали от сливането на черни дупки, светлосивата линия не използва астрофизични модели, а представя сигнала като линейна комбинация от синусоидално-гаусови вълни. Реконструкциите се припокриват с 94%. Трети ред: Остатъчни грешки след извличане на филтрираната прогноза на числения сигнал на относителността от филтрирания сигнал на детекторите. Долен ред: представяне на честотната карта на напрежението, показващо увеличаването на доминиращата честота на сигнала с течение на времето.

11 февруари 2016 г. от сътрудничеството на LIGO и VIRGO. Сигналът за сливането на две черни дупки с амплитуда при максимум около 10 −21 беше открит на 14 септември 2015 г. в 09:51 UTC от два детектора LIGO в Ханфорд и Ливингстън на разстояние 7 милисекунди, в района на максимален сигнал амплитуда (0,2 секунди) комбинираното съотношение сигнал/шум беше 24:1. Сигналът е обозначен като GW150914. Формата на сигнала съвпада с прогнозата на общата теория на относителността за сливането на две черни дупки с маси 36 и 29 слънчеви маси; получената черна дупка трябва да има маса от 62 слънчеви маси и параметър на въртене а= 0,67. Разстоянието до източника е около 1,3 милиарда, енергията, излъчена за десети от секундата при сливането, е еквивалентна на около 3 слънчеви маси.

История

Историята на самия термин "гравитационна вълна", теоретичното и експерименталното търсене на тези вълни, както и използването им за изследване на явления, недостъпни за други методи.

• 1900 - Лоренц предполага, че гравитацията "... може да се разпространява със скорост, не по-голяма от скоростта на светлината";
• 1905 - Поанкареза първи път въвежда термина гравитационна вълна (onde gravifique). Поанкаре, на качествено ниво, премахна добре установените възражения на Лаплас и показа, че корекциите, свързани с гравитационните вълни към общоприетите закони на Нютон за гравитацията от реда, се отменят, така че предположението за съществуването на гравитационни вълни не противоречи на наблюденията;
• 1916 - Айнщайн показа, че в рамките на GR, механична система би прехвърлила енергия към гравитационни вълни и, грубо казано, всяко въртене спрямо неподвижни звезди трябва да спре рано или късно, въпреки че, разбира се, при нормални условия загубите на енергия на редът е незначителен и практически не може да бъде измерен (в тази работа той все още погрешно вярваше, че механична система, която постоянно поддържа сферична симетрия, може да излъчва гравитационни вълни);
• 1918 - Айнщайнизведе квадруполна формула, в която излъчването на гравитационните вълни се оказва ефект на реда, като по този начин коригира грешката в предишната си работа (имаше грешка в коефициента, енергията на вълната е 2 пъти по-малка);
• 1923 г. – Едингтън – поставя под съмнение физическата реалност на гравитационните вълни „...разпространяват се... със скоростта на мисълта“. През 1934 г., когато подготвя руски превод на своята монография Теорията на относителността, Едингтън добавя няколко глави, включително глави с два варианта за изчисляване на загубите на енергия от въртящ се прът, но отбелязва, че методите, използвани за приблизителни изчисления на общата теория на относителността, в неговата мнение, не са приложими за гравитационно свързани системи, така че остават съмнения;
• 1937 - Айнщайн, заедно с Розен, изследват цилиндрични вълнови решения на точните уравнения на гравитационното поле. В хода на тези изследвания те са имали съмнения, че гравитационните вълни могат да бъдат артефакт на приблизителни решения на уравненията на GR (има известна кореспонденция относно прегледа на статията на Айнщайн и Розен „Съществуват ли гравитационни вълни?“). По-късно той откри грешка в мотивите, окончателната версия на статията с фундаментални редакции вече беше публикувана в списанието на Института Франклин;
• 1957 - Херман Бонди и Ричард Файнман предлагат мисловен експеримент "бастун с мъниста", в който обосновават съществуването на физическите последствия от гравитационните вълни в общата теория на относителността;
• 1962 г. - Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн описват принципите на използване на интерферометри за откриване на гравитационни вълни с дълги вълни;
• 1964 - Филип Питърс и Джон Матю теоретично описват гравитационните вълни, излъчвани от бинарни системи;
• 1969 г. - Джоузеф Вебер, основател на астрономията на гравитационните вълни, съобщава за откриване на гравитационни вълни с помощта на резонансен детектор - механична гравитационна антена. Тези доклади пораждат бърз растеж на работата в тази посока, по-специално Рене Вайс, един от основателите на проекта LIGO, започва експерименти по това време. Към днешна дата (2015 г.) никой не е успял да получи надеждно потвърждение за тези събития;
• 1978 - Джоузеф Тейлърсъобщава за откриване на гравитационно лъчение в двойната система на пулсара PSR B1913+16. Работата на Джоузеф Тейлър и Ръсел Хълс спечели Нобеловата награда за физика през 1993 г. В началото на 2015 г. бяха измерени три пост-кеплеровски параметъра, включително намаляването на периода поради излъчването на гравитационни вълни, за най-малко 8 такива системи;
• 2002 - Сергей Копейкин и Едуард Фомалонт направиха динамични измервания на отклонението на светлината в гравитационното поле на Юпитер, използвайки радиовълнова интерферометрия с изключително дълга базова линия, което за определен клас хипотетични разширения на общата теория на относителността позволява да се оцени скоростта на гравитацията - разликата от скоростта на светлината не трябва да надвишава 20% (тази интерпретация не е общоприета);
• 2006 г. - международният екип на Марта Бургай (Обсерватория Паркс, Австралия) съобщава за много по-точно потвърждение на общата теория на относителността и съответствието с нея на величината на радиацията на гравитационната вълна в системата от два пулсара PSR J0737-3039A/B;
• 2014 г. - Астрономи от Центъра за астрофизика Харвард-Смитсониън (BICEP) съобщиха за откриването на първични гравитационни вълни при измервания на флуктуации на CMB. В момента (2016 г.) откритите флуктуации не се считат за реликтов произход, а се обясняват с излъчването на прах в Галактиката;
• 2016 - Международен екип на LIGOобяви откриването на събитието на преминаване на гравитационни вълни GW150914. За първи път пряко наблюдение на взаимодействащи масивни тела в свръхсилни гравитационни полета със свръхвисоки относителни скорости (< 1,2 × R s , v/c >0,5), което направи възможно да се провери коректността на общата теория на относителността с точност до няколко постнютонови члена от висок порядък. Измерената дисперсия на гравитационните вълни не противоречи на предишните измервания на дисперсията и горната граница на масата на хипотетичния гравитон (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.



Изглежда, че през следващите дни ще говорим много за гравитационните вълни. Но защо понякога погрешно ги наричат ​​„гравитационни вълни“? В този свят на социалните медии, където краткостта най-често се цени на първо място, може да изглежда, че намаляването на фразата „гравитационни вълни“ до „гравитационни вълни“ не е толкова голяма работа. Особено след като спестява няколко допълнителни знака за любителите на Twitter!

И най-вероятно ще видите много заглавия в новините, предвещаващи „гравитационните вълни на науката“, заменени с думата „гравитация“, но не попадайте в този капан. Въпреки че и двете думи имат тежест, по същество гравитационните вълни и гравитационните вълни са напълно различни „същества“. Прочетете и ще разберете как се различават и дори можете да покажете знанията си за гравитацията следващия път пред приятелите си в кръчмата.

Гравитационните вълни са, в най-общ смисъл, вид вълни в пространството и времето. Теорията на общата теория на относителността на Айнщайн предсказа тяхното съществуване преди повече от сто години и те се образуват от ускоряването (или всъщност забавянето) на масивни обекти в космоса. Ако една звезда избухне като свръхнова, тогава гравитационните вълни отнасят енергията от детонацията със скоростта на светлината. Ако две черни дупки се сблъскат, те ще предизвикат вълни в пространството и времето, напомнящи на вълни в езерце, където е хвърлено камъче. Ако две неутронни звезди обикалят една около друга много близо, тяхната енергия, която се отвежда от системата, се нарича – познахте – гравитационни вълни. Ако можем да открием и наблюдаваме тези вълни, което новата ера на астрономията на гравитационните вълни може да позволи, тогава ще можем да разпознаем гравитационните вълни и да работим с явленията, които са ги произвели. Например, внезапен изблик на гравитационни вълни може да означава, че те идват от експлозия на свръхнова, докато непрекъснат осцилиращ сигнал може да показва тясната орбита на две черни дупки, преди да се слеят.

Засега гравитационните вълни са теоретични, въпреки наличието на сериозни косвени доказателства. Интересното е, че докато гравитационните вълни се разпространяват в пространството, те ще деформират физически "тъкана" на пространството, тоест ще свият или разширят много леко пространството между два обекта. Ефектът е незначителен, но с помощта на лазерен интерферометър като лазерния интерферометър за обсерватория на гравитационните вълни или LIGO (LIGO), който измерва най-малкото смущение в лазерите, отразени през 2,5 km L-образни вакуумни тунели, разпространението на гравитационни вълни през нашата планета може бъде открит. В случая на LIGO има 2 станции, разположени на противоположните страни на САЩ, разделени от почти 2000 мили. Ако сигналът на гравитационната вълна е реален, неговият подпис ще се наблюдава и на двете места; ако е фалшив сигнал (т.е. току-що минал камион), тогава само една станция ще засече сигнала. Въпреки че LIGO започна работа през 2002 г., той все още не е открил гравитационни вълни. Но през септември 2015 г. системата беше надстроена до Advanced LIGO и се надяваме, че физиците най-накрая ще ни дадат добри новини в четвъртък.

Бонус: Първични гравитационни вълни. Може би си спомняте сътресенията с „откриването“ (и след това неоткриването) на BICEP2 на гравитационни вълни в слабото първично „блясък“ на Големия взрив, известно като космически микровълнов фон (CMB). Въпреки че „откриването“ на BICEP2 се оказа безнадеждно, смята се, че малки гравитационни смущения около времето на Големия взрив могат да оставят своя „отпечатък“ в това древно излъчване като специален вид поляризирана светлина. Ако се наблюдава отпечатъкът на първичните гравитационни вълни (тези, произведени от Големия взрив), тогава някои модели на космическа инфлация и квантова гравитация могат да бъдат потвърдени.

Това обаче не са гравитационните вълни, които LIGO търси. LIGO (и подобни обсерватории) търсят гравитационни вълни, които се генерират от енергийни събития, случващи се в момента в нашата съвременна вселена. Търсенето на първични гравитационни вълни е като археологически разкопки на миналото на нашата вселена.

Гравитационните вълни са физически смущения, предизвикани от възстановяващата се гравитация в планетарната среда. С други думи, гравитационните вълни са характерни само за планетарни атмосфери и водни тела. В случай на атмосфери, въздухът духа през океана и след това, като удари остров, например, е принуден да се издигне. Надолу по вятъра въздухът ще бъде изтласкан на по-ниска надморска височина от гравитацията, но неговата плаваемост ще работи срещу гравитацията, което ще го накара да се издигне отново. В резултат на това често област от осцилиращ въздух в атмосферата може да произведе облаци по гребените на вълните. Примери за гравитационни вълни са вятърни вълни, приливи и отливи и цунами.

Така се оказва, че силата на гравитацията задвижва както гравитационни вълни, така и гравитационни вълни, но те имат много различни свойства, които не бива да се бъркат.

Валентин Николаевич Руденко споделя историята на посещението си в град Кашина (Италия), където прекара една седмица на новопостроената „гравитационна антена“ – оптичния интерферометър на Майкелсън. По пътя към дестинацията шофьорът на таксито се интересува за какво е изградена инсталацията. „Хората тук си мислят, че е за разговор с Бог“, признава шофьорът.

– Какво представляват гравитационните вълни?

– Гравитационната вълна е един от „носителите на астрофизична информация“. Има видими канали за астрофизична информация, специална роля в "далечното зрение" принадлежи на телескопите. Астрономите са усвоили и нискочестотните канали – микровълнови и инфрачервени, и високочестотните – рентгенови и гама. В допълнение към електромагнитното излъчване можем да регистрираме потоци от частици от Космоса. За това се използват неутрино телескопи - големи детектори на космически неутрино - частици, които слабо взаимодействат с материята и поради това трудно се регистрират. Почти всички теоретично прогнозирани и лабораторно изследвани видове "носители на астрофизична информация" са надеждно усвоени на практика. Изключение беше гравитацията - най-слабото взаимодействие в микрокосмоса и най-мощната сила в макрокосмоса.

Гравитацията е геометрия. Гравитационните вълни са геометрични вълни, тоест вълни, които променят геометричните характеристики на пространството, докато пътуват през това пространство. Грубо казано, това са вълни, които деформират пространството. Деформацията е относителната промяна в разстоянието между две точки. Гравитационното лъчение се различава от всички други видове лъчение именно по това, че е геометрично.

Предсказал ли е Айнщайн гравитационните вълни?

- Формално се смята, че гравитационните вълни са предсказани от Айнщайн като едно от следствията на неговата обща теория на относителността, но всъщност тяхното съществуване става очевидно още в специалната теория на относителността.

Теорията на относителността предполага, че поради гравитационното привличане е възможен гравитационен колапс, тоест свиването на обект в резултат на колапс, грубо казано, в точка. Тогава гравитацията е толкова силна, че светлината дори не може да излезе от нея, затова такъв обект образно се нарича черна дупка.

- Каква е особеността на гравитационното взаимодействие?

Характеристика на гравитационното взаимодействие е принципът на еквивалентността. Според него динамичният отговор на тестово тяло в гравитационно поле не зависи от масата на това тяло. Просто казано, всички тела падат с еднакво ускорение.

Гравитационната сила е най-слабата, която познаваме днес.

- Кой пръв се опита да улови гравитационна вълна?

– Експериментът с гравитационни вълни е проведен за първи път от Джоузеф Вебер от Университета на Мериленд (САЩ). Той създава гравитационния детектор, който сега се съхранява в музея Смитсониън във Вашингтон. През 1968-1972 г. Джо Вебер прави поредица от наблюдения с чифт раздалечени детектори в опит да изолира случаи на "съвпадения". Рецепцията за съвпаденията е заимствана от ядрената физика. Ниската статистическа значимост на гравитационните сигнали, получени от Вебер, предизвика критично отношение към резултатите от експеримента: нямаше сигурност, че гравитационните вълни могат да бъдат открити. В бъдеще учените се опитаха да увеличат чувствителността на детекторите от типа Weber. Отне 45 години, за да се разработи детектор, чиято чувствителност беше адекватна на астрофизичната прогноза.

В началото на експеримента преди фиксацията се проведоха много други експерименти, през този период бяха записани импулси, но те бяха с твърде ниска интензивност.

- Защо не беше обявено веднага фиксирането на сигнала?

– Гравитационните вълни са регистрирани през септември 2015 г. Но дори и да е записано съвпадение, трябва да се докаже, преди да се обяви, че не е случайно. В сигнала, взет от всяка антена, винаги има шумови изблици (краткотрайни изблици) и един от тях може случайно да се появи едновременно с шумов изблик на друга антена. Възможно е да се докаже, че съвпадението не се е случило случайно само с помощта на статистически оценки.

– Защо откритията в областта на гравитационните вълни са толкова важни?

– Способността да регистрираме реликтовия гравитационен фон и да измерваме неговите характеристики, като плътност, температура и др., ни позволява да се доближим до началото на Вселената.

Привлекателното е, че гравитационното излъчване е трудно за откриване, защото взаимодейства много слабо с материята. Но благодарение на същото свойство, той преминава без поглъщане от най-отдалечените от нас обекти с най-мистериозни, от гледна точка на материята, свойства.

Можем да кажем, че гравитационните лъчения преминават без изкривяване. Най-амбициозната цел е да се изследва гравитационното излъчване, което е отделено от първичната материя в Теорията за Големия взрив, която е създадена в момента на създаването на Вселената.

– Откриването на гравитационните вълни изключва ли квантовата теория?

Теорията на гравитацията предполага съществуването на гравитационен колапс, тоест свиване на масивни обекти в точка. В същото време квантовата теория, разработена от Копенхагенската школа, предполага, че благодарение на принципа на неопределеността е невъзможно да се уточнят точно такива параметри като позицията, скоростта и импулса на тялото едновременно. Тук има принцип на несигурност, невъзможно е да се определи точно траекторията, защото траекторията е едновременно координата и скорост и т.н. Можете да определите само определен условен коридор на доверие в рамките на тази грешка, който е свързан с принципите на несигурност . Квантовата теория категорично отрича възможността за точкови обекти, но ги описва по статистически вероятностен начин: тя не посочва конкретно координатите, но посочва вероятността, че има определени координати.

Въпросът за обединяването на квантовата теория и теорията на гравитацията е един от основните въпроси за създаването на единна теория на полето.

Те продължават да работят върху това сега и думите „квантова гравитация“ означават напълно напреднала област на науката, границата на знанието и невежеството, където сега работят всички теоретици по света.

– Какво може да даде откритието в бъдеще?

Гравитационните вълни неизбежно трябва да формират основата на съвременната наука като един от компонентите на нашето познание. На тях се отрежда значителна роля в еволюцията на Вселената и с помощта на тези вълни трябва да се изучава Вселената. Откритието допринася за общото развитие на науката и културата.

Ако решите да излезете извън рамките на днешната наука, тогава е допустимо да си представите телекомуникационни гравитационни комуникационни линии, реактивни апарати на гравитационно излъчване, устройства за интроскопия на гравитационни вълни.

- Имат ли отношение гравитационните вълни към екстрасензорността и телепатията?

Нямам. Описаните ефекти са ефекти на квантовия свят, ефекти на оптиката.

Интервюто взе Анна Уткина

„Наскоро поредица от дългосрочни експерименти за директно наблюдение на гравитационни вълни предизвика силен интерес в научната общност“, пише физикът-теоретик Мичио Каку в книгата си „Космосът на Айнщайн“ от 2004 г. - Проектът LIGO (Laser Gravitational Wave Interferometer) може да бъде първият, който "видя" гравитационни вълни, най-вероятно от сблъсъка на две черни дупки в дълбокия космос. LIGO е сбъдната мечта на физика, първото съоръжение с достатъчно мощност за измерване на гравитационни вълни."

Прогнозата на Каку се сбъдна: в четвъртък група международни учени от обсерваторията LIGO обявиха откриването на гравитационни вълни.

Гравитационните вълни са колебания в пространство-времето, които „бягат“ от масивни обекти (като черни дупки), движещи се с ускорение. С други думи, гравитационните вълни са разпространяващо се смущение на пространство-времето, движеща се деформация на абсолютната празнота.

Черната дупка е област в пространство-времето, чието гравитационно привличане е толкова силно, че дори обекти, движещи се със скоростта на светлината (включително самата светлина), не могат да я напуснат. Границата, разделяща черна дупка от останалия свят, се нарича хоризонт на събитията: всичко, което се случва вътре в хоризонта на събитията, е скрито от очите на външен наблюдател.

Ерин Райън Снимка на тортата, публикувана онлайн от Ерин Райън.

Учените започнаха да улавят гравитационните вълни преди половин век: тогава американският физик Джоузеф Вебер се заинтересува от общата теория на относителността (ОТО) на Айнщайн, взе отпуск и започна да изучава гравитационните вълни. Вебер изобретява първото устройство за откриване на гравитационни вълни и скоро твърди, че е записал „звука на гравитационните вълни“. Научната общност обаче отрече посланието му.

Но благодарение на Джоузеф Вебер много учени се превърнаха в „преследвачи на вълни“. Днес Вебер се счита за баща на научното направление на астрономията на гравитационните вълни.

„Това е началото на нова ера на гравитационната астрономия“

Обсерваторията LIGO, където учените регистрираха гравитационни вълни, се състои от три лазерни инсталации в Съединените щати: две са разположени в щата Вашингтон и една в Луизиана. Ето как Мичио Каку описва работата на лазерните детектори: „Лазерният лъч се разделя на два отделни лъча, които след това вървят перпендикулярно един на друг. След това, отразени от огледалото, те се свързват отново. Ако гравитационната вълна премине през интерферометъра (измервателното устройство), дължините на пътя на двата лазерни лъча ще бъдат нарушени и това ще се отрази в тяхната интерферентна картина. За да сте сигурни, че регистрираният от лазерната инсталация сигнал не е случаен, детекторите трябва да бъдат поставени на различни точки на Земята.

Само под въздействието на гигантска гравитационна вълна, много по-голяма от нашата планета, всички детектори ще работят едновременно.

Сега сътрудничеството LIGO е открило гравитационно излъчване, причинено от сливането на двоична система от черни дупки с маси от 36 и 29 слънчеви маси в обект с маса от 62 слънчеви маси. „Това е първото пряко (много е важно, че е директно!) измерване на действието на гравитационните вълни“, коментира Сергей Вятчанин, професор във Физическия факултет на Московския държавен университет, пред кореспондента на научния отдел на Газета.Ru. - Тоест, получен е сигнал от астрофизическата катастрофа за сливането на две черни дупки. И този сигнал е идентифициран - това също е много важно! Ясно е, че това е от две черни дупки. И това е началото на нова ера на гравитационната астрономия, която ще позволи получаване на информация за Вселената не само чрез оптични, рентгенови, електромагнитни и неутрино източници, но и чрез гравитационни вълни.

Можем да кажем, че 90 процента от черните дупки са престанали да бъдат хипотетични обекти. Остават известни съмнения, но все пак сигналът, който е уловен, пасва болезнено добре на това, което безброй симулации на сливането на две черни дупки предсказват в съответствие с общата теория на относителността.

Това е силен аргумент, че съществуват черни дупки. Друго обяснение за подобен сигнал все още няма. Следователно се предполага, че съществуват черни дупки.

„Айнщайн би бил много щастлив“

Гравитационните вълни са предсказани от Алберт Айнщайн (който, между другото, беше скептичен относно съществуването на черни дупки) като част от неговата обща теория на относителността. В общата теория на относителността времето се добавя към три пространствени измерения и светът става четириизмерен. Според теория, която преобърна физиката, гравитацията е следствие от кривината на пространство-времето под въздействието на масата.

Айнщайн доказа, че всяка материя, движеща се с ускорение, създава смущение на пространство-времето - гравитационна вълна. Това смущение е толкова по-голямо, колкото по-високи са ускорението и масата на обекта.

Поради слабостта на гравитационните сили в сравнение с други фундаментални взаимодействия, тези вълни трябва да имат много малка величина, която е трудна за регистриране.

Когато обясняват общата теория на относителността на хуманитарните науки, физиците често ги карат да си представят опънат лист гума, върху който са спуснати масивни топки. Топките се натискат през гумата и опънатият лист (който представлява пространство-време) се деформира. Според общата теория на относителността цялата вселена е гума, върху която всяка планета, всяка звезда и всяка галактика оставят вдлъбнатини. Нашата Земя се върти около Слънцето като малка топка, търкаляща се около конуса на фуния, образувана в резултат на „пробиването“ на пространство-времето от тежка топка.

РАЗПРОДАЖБА/Ройтерс

Тежката топка е Слънцето

Вероятно откриването на гравитационните вълни, което е основното потвърждение на теорията на Айнщайн, претендира за Нобелова награда по физика. „Айнщайн би бил много щастлив“, каза Габриела Гонзалес, говорител на сътрудничеството LIGO.

Според учените е твърде рано да се говори за практическата приложимост на откритието. „Въпреки това, Хайнрих Херц (немски физик, който доказа съществуването на електромагнитни вълни. - Газета.Ru) мислеше ли, че ще има мобилен телефон? Не! В момента не можем да си представим нищо“, каза Валери Митрофанов, професор във Физическия факултет на Московския държавен университет. М.В. Ломоносов. - Водя се от филма "Интерстелар". Да, критикуват го, но дори див човек може да си представи вълшебен килим. И летящият килим се превърна в самолет и това е всичко. И тук вече е необходимо да си представим нещо много сложно. В Interstellar един от моментите е свързан с това, че човек може да пътува от един свят в друг. Ако е така, вярвате ли, че човек може да пътува от един свят в друг, че може да има много вселени - всичко? Не мога да отговоря не. Защото на такъв въпрос един физик не може да отговори с „не“! Само ако противоречи на някакви природозащитни закони! Има опции, които не противоречат на известните физични закони. И така, пътуването по света може да бъде!

Какво означава за нас откриването на гравитационни вълни.

Мисля, че всички вече са наясно, че преди няколко дни учените за първи път обявиха откриването на гравитационни вълни. Имаше много новини за това, по телевизията, в новинарските сайтове и изобщо навсякъде. Но в същото време никой не се затрудни да обясни на достъпен език какво ни дава това откритие на практика.

Всъщност всичко е просто, достатъчно е да се направи аналогия с подводница:

източник:

Откриването на подводници е първата и основна задача в борбата с тях. Като всеки предмет, лодката с присъствието си влияе на околната среда. С други думи, лодката има свои собствени физически полета. По-известните физически полета на подводница включват хидроакустични, магнитни, хидродинамични, електрически, нискочестотни електромагнитни, както и термични, оптични. Изборът на физическите полета на лодката на фона на полетата на океана (морето) е в основата на основните методи за откриване.
Методите за откриване на подводници се разделят според вида на физическите полета: акустични, магнитометрични, радарни, газови, термични и др.

С космоса същият боклук. Гледаме звездите през телескопи, правим снимки на Марс, улавяме радиация и като цяло се опитваме да опознаем небето по всички налични начини. И сега, след като тези вълни са фиксирани, е добавен друг метод на изследване - гравитационният. Ще можем да видим пространството въз основа на тези колебания.

Тоест, както една подводница е преминала през морето и е оставила след себе си "следа", по която може да бъде изчислена, по същия начин небесните тела вече могат да бъдат изследвани от различен ъгъл за по-пълна картина. В бъдеще ще можем да видим как гравитационните вълни обикалят различни светила, галактики, планети, ще се научим как да изчисляваме още по-добре космическите траектории на обектите (И може би дори да разпознаваме и предсказваме приближаването на метеоритите предварително), ще видим поведението на вълните при специални условия, добре, и всичко това.

Какво ще даде?

Все още не е ясно. Но с течение на времето оборудването ще стане по-точно и чувствително и ще бъде събран богат материал за гравитационните вълни. Въз основа на тези материали, любознателните умове ще започнат да откриват всякакви аномалии, загадки и модели. Тези закономерности и аномалии от своя страна ще послужат или за опровержение, или за потвърждение на старите теории. Ще бъдат създадени допълнителни математически формули, интересни хипотези (британски учени откриха, че гълъбите намират пътя си към дома чрез гравитационни вълни!) и много други. И жълтата преса определено ще лансира някакъв мит като "Гравитационното цунами", което един ден ще дойде, ще покрие нашата слънчева система и всичко живо ще бъде изритано. И Уанг ще бъде завлечен отново. Накратко, ще бъде забавно:]

И какъв е резултатът?

В резултат на това ще получим по-съвършено поле на науката, което ще може да даде по-точен и по-широк поглед върху нашия свят. И ако имате късмет и учените се натъкнат на някакъв невероятен ефект... (Като например, ако две гравитационни вълни на пълнолуние се "блъскат" една в друга под определен ъгъл с правилната скорост, тогава се получава локален фокус на антигравитацията, oh-pa!)... тогава можем да се надяваме на сериозен научен прогрес.