Koji fizički efekat je omogućio detekciju gravitacionih talasa. Gravitacijski talasi, detektori talasa i LIGO

Gravitacijski valovi - Slika umjetnika

Gravitacijski talasi su perturbacije prostorno-vremenske metrike koje se odvajaju od izvora i šire se poput talasa (tzv. "prostorno-vremensko talasanje").

U općoj teoriji relativnosti i u većini drugih modernih teorija gravitacije, gravitacijski valovi nastaju kretanjem masivnih tijela s promjenjivim ubrzanjem. Gravitacioni talasi se slobodno šire u svemiru brzinom svetlosti. Zbog relativne slabosti gravitacionih sila (u poređenju sa ostalima), ovi talasi imaju veoma malu magnitudu, što je teško registrovati.

Polarizovani gravitacioni talas

Gravitacione talase predviđa opšta teorija relativnosti (GR), mnoge druge. Prvi put su direktno otkriveni u septembru 2015. od strane dva blizana detektora, koji su snimili gravitacione talase, koji su verovatno rezultat spajanja ova dva i formiranja još jedne masivne rotirajuće crne rupe. Indirektni dokazi o njihovom postojanju poznati su od 1970-ih - opšta teorija relativnosti predviđa stopu konvergencije bliskih sistema koja se poklapa sa zapažanjima zbog gubitka energije za emisiju gravitacionih talasa. Direktna registracija gravitacijskih valova i njihova upotreba za određivanje parametara astrofizičkih procesa važan je zadatak moderne fizike i astronomije.

U okviru opšte teorije relativnosti, gravitacioni talasi se opisuju rešenjima Ajnštajnovih jednačina talasnog tipa, koja predstavljaju perturbaciju prostorno-vremenske metrike koja se kreće brzinom svetlosti (u linearnoj aproksimaciji). Manifestacija ove perturbacije trebala bi biti, posebno, periodična promjena udaljenosti između dvije ispitne mase koje slobodno padaju (tj. na koje ne djeluju nikakve sile). Amplituda h gravitacijski talas je bezdimenzionalna veličina - relativna promjena udaljenosti. Predviđene maksimalne amplitude gravitacionih talasa iz astrofizičkih objekata (na primjer, kompaktni binarni sistemi) i fenomena (eksplozije, spajanja, zarobljavanja crnim rupama, itd.) su vrlo male kada se mjere u ( h=10 −18 -10 −23). Slab (linearni) gravitacijski val, prema općoj teoriji relativnosti, nosi energiju i zamah, kreće se brzinom svjetlosti, poprečan je, četveropolan i opisuje ga dvije nezavisne komponente koje se nalaze pod uglom od 45° jedna prema drugoj. (ima dva smjera polarizacije).

Različite teorije predviđaju brzinu širenja gravitacionih talasa na različite načine. U opštoj relativnosti, jednaka je brzini svjetlosti (u linearnoj aproksimaciji). U drugim teorijama gravitacije, može poprimiti bilo koju vrijednost, uključujući ad infinitum. Prema podacima prve registracije gravitacionih talasa, pokazalo se da je njihova disperzija kompatibilna sa bezmasenim gravitonom, a brzina je procenjena da je jednaka brzini svetlosti.

Generisanje gravitacionih talasa

Sistem od dve neutronske zvezde stvara talase u prostor-vremenu

Gravitacioni talas emituje bilo koja materija koja se kreće asimetričnim ubrzanjem. Za nastanak talasa značajne amplitude potrebna je izuzetno velika masa emitera ili / i velika ubrzanja, amplituda gravitacionog talasa je direktno proporcionalna prva derivacija ubrzanja i masa generatora, tj. ~ . Međutim, ako se neki objekt kreće ubrzanom brzinom, to znači da na njega djeluje neka sila sa strane drugog objekta. Zauzvrat, ovaj drugi objekt doživljava obrnutu akciju (prema Njutnovom 3. zakonu), dok se ispostavlja da m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Ispostavilo se da dva objekta zrače gravitacijske valove samo u parovima, a kao rezultat interferencije oni se međusobno gotovo potpuno gase. Stoga gravitaciono zračenje u opštoj teoriji relativnosti uvek ima karakter barem kvadrupolnog zračenja u smislu multipolarnosti. Osim toga, za nerelativističke emitere, izraz za intenzitet zračenja sadrži mali parametar gdje je gravitacijski radijus emitera, r- njegove karakteristične veličine, T- karakterističan period kretanja, c je brzina svjetlosti u vakuumu.

Najjači izvori gravitacionih talasa su:

sudara (gigantske mase, vrlo mala ubrzanja),
gravitacijski kolaps binarnog sistema kompaktnih objekata (kolosalna ubrzanja s prilično velikom masom). Kao poseban i najzanimljiviji slučaj - spajanje neutronskih zvijezda. U takvom sistemu, sjaj gravitacionog talasa je blizak najvećem mogućem Planckovom sjaju u prirodi.

Gravitacioni talasi koje emituje sistem sa dva tela

Dva tijela koja se kreću kružnim orbitama oko zajedničkog centra mase

Dva gravitaciono vezana tela sa masama m 1 i m 2 , krećući se nerelativistički ( v << c) u kružnim orbitama oko njihovog zajedničkog centra mase na udaljenosti r jedan od drugog zrače gravitacioni talasi sledeće energije, u proseku tokom perioda:

Kao rezultat, sistem gubi energiju, što dovodi do konvergencije tijela, odnosno do smanjenja udaljenosti između njih. Brzina približavanja tijela:

Za Sunčev sistem, na primjer, podsistem i proizvodi najveće gravitaciono zračenje. Snaga ovog zračenja je približno 5 kilovata. Dakle, energija koju Sunčev sistem gubi na gravitaciono zračenje godišnje je potpuno zanemarljiva u poređenju sa karakterističnom kinetičkom energijom tela.

Gravitacijski kolaps binarnog sistema

Svaka binarna zvijezda, kada njene komponente rotiraju oko zajedničkog centra mase, gubi energiju (kako se pretpostavlja - zbog emisije gravitacijskih valova) i na kraju se spaja. Ali za obične, nekompaktne, binarne zvijezde, ovaj proces traje jako dugo, mnogo više od današnjeg doba. Ako se binarni kompaktni sistem sastoji od para neutronskih zvijezda, crnih rupa ili kombinacije oboje, tada se spajanje može dogoditi za nekoliko miliona godina. Prvo, objekti se približavaju jedan drugom, a njihov period okretanja se smanjuje. Zatim u završnoj fazi dolazi do sudara i asimetričnog gravitacionog kolapsa. Ovaj proces traje djelić sekunde, a za to vrijeme energija se gubi u gravitaciono zračenje, koje prema nekim procjenama čini više od 50% mase sistema.

Osnovna egzaktna rješenja Ajnštajnovih jednačina za gravitacione talase

Tjelesni valovi Bondija - Pirani - Robinzona

Ovi valovi su opisani metrikom oblika . Ako uvedemo varijablu i funkciju , onda iz GR jednadžbi dobijamo jednačinu

Takeno metric

ima oblik , -funkcije, zadovoljavaju istu jednadžbu.

Rosen metric

Gdje zadovoljiti

Perez metric

Gde

Einstein-Rosen Cilindrical Waves

U cilindričnim koordinatama takvi valovi imaju oblik i ispunjeni su

Registracija gravitacionih talasa

Registracija gravitacionih talasa je prilično komplikovana zbog slabosti potonjeg (mala distorzija metrike). Instrumenti za njihovu registraciju su detektori gravitacionih talasa. Pokušaji otkrivanja gravitacijskih valova vršeni su od kasnih 1960-ih. Gravitacioni talasi detektivne amplitude nastaju tokom kolapsa binarne. Slični događaji se dešavaju u okolini otprilike jednom u deceniji.

S druge strane, opšta teorija relativnosti predviđa ubrzanje međusobne rotacije binarnih zvijezda zbog gubitka energije za emisiju gravitacijskih valova, a ovaj efekat je pouzdano zabilježen u nekoliko poznatih sistema binarnih kompaktnih objekata (posebno pulsara). sa kompaktnim pratiocima). 1993. godine, "za otkriće novog tipa pulsara koji je dao nove mogućnosti u proučavanju gravitacije" otkrivačima prvog dvostrukog pulsara PSR B1913+16, Russell Hulse i Joseph Taylor Jr. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku. Ubrzanje rotacije uočeno u ovom sistemu potpuno se poklapa sa predviđanjima opšte teorije relativnosti za emisiju gravitacionih talasa. Isti fenomen zabilježen je u nekoliko drugih slučajeva: za pulsare PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (obično skraćeno kao J0651) i binarni RX J0806 sistem. Na primjer, udaljenost između dvije komponente A i B prve binarne zvijezde dva pulsara PSR J0737-3039 smanjuje se za oko 2,5 inča (6,35 cm) dnevno zbog gubitka energije gravitacijskim valovima, a to se događa u skladu s opšta relativnost. Svi ovi podaci se tumače kao indirektna potvrda postojanja gravitacionih talasa.

Prema procjenama, najjači i najčešći izvori gravitacionih talasa za gravitacione teleskope i antene su katastrofe povezane sa kolapsom binarnih sistema u obližnjim galaksijama. Očekuje se da će u bliskoj budućnosti napredni gravitacioni detektori registrovati nekoliko takvih događaja godišnje, iskrivljavajući metriku u blizini za 10 −21 -10 −23 . Prva zapažanja optičko-metričkog parametarskog rezonantnog signala, koja omogućava detekciju uticaja gravitacionih talasa iz periodičnih izvora bliskog binarnog tipa na zračenje kosmičkih masera, možda su dobijena u Radio astronomskoj opservatoriji Rusije. Akademija nauka, Puščino.

Druga mogućnost za detekciju pozadine gravitacionih talasa koji ispunjavaju Univerzum je visoko precizno vremensko određivanje vremena udaljenih pulsara – analiza vremena dolaska njihovih impulsa, koje se karakteristično menja pod dejstvom gravitacionih talasa koji prolaze kroz prostor između Zemlje i pulsara. Prema procjenama iz 2013., potrebno je povećati tačnost vremena za oko jedan red veličine da bismo mogli detektirati pozadinske valove iz više izvora u našem svemiru, a ovaj zadatak može biti riješen prije kraja decenije.

Prema modernim konceptima, naš svemir je ispunjen reliktnim gravitacionim talasima koji su se pojavili u prvim trenucima nakon toga. Njihova registracija će pružiti informacije o procesima na početku rađanja Univerzuma. Dana 17. marta 2014. u 20:00 po moskovskom vremenu u Harvard-Smithsonian Centru za astrofiziku, američka grupa istraživača koji rade na BICEP 2 projektu objavila je detekciju nenulte tenzorske perturbacije u ranom svemiru polarizacijom CMB, što je takođe otkriće ovih reliktnih gravitacionih talasa . Međutim, gotovo odmah ovaj rezultat je osporavan, jer je, kako se ispostavilo, doprinos . Jedan od autora, J. M. Kovats ( Kovač J.M.), priznao je da su "sa interpretacijom i pokrivanjem podataka eksperimenta BICEP2, učesnici eksperimenta i naučni novinari malo požurili."

Eksperimentalna potvrda postojanja

Prvi zabeleženi signal gravitacionog talasa. Na lijevoj strani, podaci sa detektora u Hanfordu (H1), desno, u Livingstonu (L1). Vrijeme se računa od 14. septembra 2015. u 09:50:45 UTC. Da bi se vizualizirao signal, filtriran je frekventnim filterom sa propusnim opsegom od 35-350 Hz kako bi se suzbile velike fluktuacije izvan opsega visoke osjetljivosti detektora; propusni filteri su također korišteni za suzbijanje buke samih instalacija. Gornji red: naponi h u detektorima. GW150914 je prvo stigao na L1 i nakon 6 9 +0 5 −0 4 ms u H1; za vizuelno poređenje, podaci iz H1 su prikazani na L1 dijagramu obrnutim i vremenski pomaknutim (da se uzme u obzir relativna orijentacija detektora). Drugi red: naponi h iz signala gravitacionog talasa, propušteni kroz isti propusni filter 35-350 Hz. Puna linija je rezultat numeričke relativnosti za sistem sa parametrima kompatibilnim sa onima koji su pronađeni na osnovu proučavanja signala GW150914, dobijenog pomoću dva nezavisna koda sa rezultujućim podudaranjem od 99,9. Sive debele linije su intervali pouzdanosti od 90% talasnog oblika koji su dobijeni iz podataka detektora pomoću dvije različite metode. Tamno siva linija modelira očekivane signale od spajanja crnih rupa, svijetlosiva linija ne koristi astrofizičke modele, već predstavlja signal kao linearnu kombinaciju sinusoidno-gausovih talasa. Rekonstrukcije se preklapaju za 94%. Treći red: Preostale greške nakon izdvajanja filtriranog predviđanja signala numeričke relativnosti iz filtriranog signala detektora. Donji red: prikaz karte frekvencije napona koja pokazuje povećanje dominantne frekvencije signala tokom vremena.

11. februara 2016. u saradnji LIGO i VIRGO. Signal spajanja dvije crne rupe s amplitudom od maksimalno oko 10 −21 detektiran je 14. septembra 2015. u 09:51 UTC od dva LIGO detektora u Hanfordu i Livingstonu u razmaku od 7 milisekundi, u području maksimalnog signala amplituda (0,2 sekunde) kombinovana, odnos signal-šum je bio 24:1. Signal je označen kao GW150914. Oblik signala odgovara predviđanju opće relativnosti za spajanje dvije crne rupe s masama od 36 i 29 solarnih masa; rezultirajuća crna rupa bi trebala imati masu od 62 solarne mase i parametar rotacije a= 0,67. Udaljenost do izvora je oko 1,3 milijarde, energija koja se zrači u desetinkama sekunde pri spajanju je ekvivalentna oko 3 solarne mase.

Priča

Istorija samog pojma "gravitacioni talas", teorijska i eksperimentalna potraga za ovim talasima, kao i njihova upotreba za proučavanje pojava nedostupnih drugim metodama.

1900 - Lorentz je sugerirao da se gravitacija "... može širiti brzinom koja nije veća od brzine svjetlosti";
1905 - Poincare prvi je uveo pojam gravitacioni talas (onde gravifique). Poincaré je, na kvalitativnom nivou, otklonio dobro utvrđene Laplaceove primjedbe i pokazao da se korekcije povezane s gravitacijskim valovima na Newtonove opšte prihvaćene zakone gravitacije reda poništavaju, tako da pretpostavka o postojanju gravitacijskih valova nije u suprotnosti sa zapažanjima;
1916 - Ajnštajn je pokazao da bi, u okviru GR, mehanički sistem prenosio energiju na gravitacione talase i, grubo rečeno, svaka rotacija u odnosu na nepokretne zvezde mora pre ili kasnije prestati, iako, naravno, u normalnim uslovima, gubici energije od redoslijed je zanemarljiv i praktično se ne može izmjeriti (u ovom radu on je još uvijek pogrešno vjerovao da mehanički sistem koji stalno održava sfernu simetriju može zračiti gravitacijske valove);
1918 - Ajnštajn izveo kvadrupolnu formulu u kojoj se zračenje gravitacionih talasa pokazuje kao efekat reda, čime je ispravio grešku u svom prethodnom radu (postojala je greška u koeficijentu, energija talasa je 2 puta manja);
1923 - Eddington - doveo je u pitanje fizičku realnost gravitacionih talasa "...šire se... brzinom misli". Godine 1934., pripremajući ruski prijevod svoje monografije Teorija relativnosti, Eddington je dodao nekoliko poglavlja, uključujući poglavlja s dvije varijante izračunavanja gubitaka energije rotirajućim štapom, ali je primijetio da su metode korištene za približne proračune opće relativnosti u njegovom mišljenja, nisu primjenjivi na gravitaciono spregnute sisteme, tako da sumnje ostaju;
1937 - Ajnštajn je zajedno sa Rosenom istraživao cilindrična talasna rešenja tačnih jednačina gravitacionog polja. U toku ovih studija sumnjali su da bi gravitacioni talasi mogli biti artefakt približnih rešenja GR jednačina (poznata je korespondencija u vezi sa recenzijom članka Einsteina i Rosena „Da li gravitacioni talasi postoje?“). Kasnije je pronašao grešku u obrazloženju, konačna verzija članka sa temeljnim izmenama je već objavljena u časopisu Franklin Institute;
1957 - Herman Bondy i Richard Feynman predložili su misaoni eksperiment "štap sa perlama" u kojem su potkrijepili postojanje fizičkih posljedica gravitacijskih valova u opštoj relativnosti;
1962 - Vladislav Pustovojt i Mihail Gertsenštajn opisali su principe upotrebe interferometara za detekciju dugotalasnih gravitacionih talasa;
1964 - Philip Peters i John Matthew teoretski su opisali gravitacijske talase koje emituju binarni sistemi;
1969 - Joseph Weber, osnivač astronomije gravitacionih talasa, izvještava o detekciji gravitacijskih valova pomoću rezonantnog detektora - mehaničke gravitacijske antene. Ovi izvještaji dovode do brzog rasta rada u ovom smjeru, posebno Rene Weiss, jedan od osnivača LIGO projekta, započeo je eksperimente u to vrijeme. Do danas (2015.) niko nije uspeo da dobije pouzdanu potvrdu ovih događaja;
1978 - Joseph Taylor prijavio je detekciju gravitacionog zračenja u binarnom sistemu pulsara PSR B1913+16. Rad Josepha Taylora i Russell Hulsea dobio je Nobelovu nagradu za fiziku 1993. godine. Početkom 2015. izmjerena su tri post-Keplerova parametra, uključujući smanjenje perioda uslijed emisije gravitacionih valova, za najmanje 8 takvih sistema;
2002 - Sergej Kopejkin i Edvard Fomalont izvršili su dinamička merenja otklona svetlosti u Jupiterovom gravitacionom polju koristeći radiotalasnu interferometriju sa ekstra dugom baznom linijom, koja za određenu klasu hipotetičkih proširenja opšte teorije relativnosti omogućava procenu brzine gravitacije - razliku od brzina svjetlosti ne bi trebala prelaziti 20% (ovo tumačenje nije općenito prihvaćeno);
2006. - međunarodni tim Marthe Burgay (Parks opservatorija, Australija) prijavio je mnogo tačniju potvrdu opšte teorije relativnosti i korespondencije s njom veličine zračenja gravitacionog talasa u sistemu dva pulsara PSR J0737-3039A/B;
2014 - Astronomi Harvard-Smithsonian centra za astrofiziku (BICEP) prijavili su detekciju primordijalnih gravitacionih talasa u merenjima CMB fluktuacija. U ovom trenutku (2016.) smatra se da otkrivene fluktuacije nisu reliktnog porijekla, već se objašnjavaju zračenjem prašine u Galaksiji;
2016 - LIGO međunarodni tim najavio je detekciju događaja prolaska gravitacionih talasa GW150914. Po prvi put, direktno posmatranje interakcijskih masivnih tijela u superjakim gravitacijskim poljima sa supervisokim relativnim brzinama (< 1,2 × R s , v/c >0,5), što je omogućilo da se potvrdi ispravnost opšte relativnosti sa tačnošću nekoliko post-njutnovskih termina visokog reda. Izmjerena disperzija gravitacijskih valova nije u suprotnosti s prethodnim mjerenjima disperzije i gornje granice mase hipotetičkog gravitona (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

Izgleda da ćemo u narednim danima mnogo pričati o gravitacionim talasima. Ali zašto se ponekad pogrešno nazivaju "gravitacionim talasima"? U ovom svijetu društvenih medija, gdje se kratkoća najčešće cijeni na prvom mjestu, moglo bi se činiti da svođenje izraza "gravitacijski valovi" na "gravitacijski valovi" nije tako velika stvar. Pogotovo jer štedi nekoliko dodatnih znakova za ljubitelje Twittera!

I najvjerovatnije ćete vidjeti mnoge naslove u vijestima koji nagovještavaju "gravitacijske valove nauke" zamijenjene riječju "gravitacija", ali nemojte upasti u tu zamku. Iako obje riječi imaju težinu, u suštini, gravitacijski valovi i gravitacijski valovi su potpuno različita "bića". Čitajte dalje i saznat ćete po čemu se razlikuju, a možete čak i pokazati svoje znanje o gravitaciji sljedeći put pred prijateljima u pabu.

Gravitacioni talasi su, u najopštijem smislu, neka vrsta talasa u prostoru i vremenu. Einsteinova teorija opće relativnosti predvidjela je njihovo postojanje prije više od sto godina, a nastaju ubrzanjem (ili zapravo usporavanjem) masivnih objekata u svemiru. Ako zvijezda eksplodira kao supernova, tada gravitacijski valovi odnose energiju od detonacije brzinom svjetlosti. Ako se dvije crne rupe sudare, one će izazvati talasanje u prostoru i vremenu, koje podsjeća na talasanje u ribnjaku gdje je bačen kamenčić. Ako dvije neutronske zvijezde kruže jedna oko druge vrlo blizu, njihova energija koja se odnosi iz sistema se – pogađate – naziva gravitacijskim valovima. Kad bismo mogli otkriti i promatrati ove valove, što bi nova era astronomije gravitacijskih valova mogla dozvoliti, tada bismo bili u stanju prepoznati gravitacijske valove i raditi s fenomenima koji su ih proizveli. Na primjer, iznenadni nalet gravitacijskih valova mogao bi ukazivati na to da dolaze od eksplozije supernove, dok kontinuirani oscilirajući signal može ukazivati na usku orbitu dvije crne rupe prije nego što se spoje.

Do sada su gravitacioni talasi teoretski, uprkos postojanju jakih posrednih dokaza. Zanimljivo je da kako se gravitacijski valovi šire kroz svemir, oni će fizički deformirati "tkaninu" prostora, odnosno vrlo malo smanjiti ili proširiti prostor između dva objekta. Učinak je zanemarljiv, ali korištenjem laserskog interferometra kao što je laserski interferometar gravitacijske opservatorije ili LIGO (LIGO), koji mjeri i najmanji poremećaj u laserima koji se reflektiraju kroz vakuumske tunele u obliku slova L od 2,5 km, širenje gravitacijskih valova kroz našu planetu može biti otkriven. U slučaju LIGO-a, postoje 2 stanice koje se nalaze na suprotnim stranama SAD-a, međusobno udaljene skoro 2000 milja. Ako je signal gravitacionog talasa stvaran, njegov potpis će se posmatrati na obe lokacije; ako se radi o lažnom signalu (tj. kamion je upravo prošao), tada će samo jedna stanica detektirati signal. Iako je LIGO počeo sa radom 2002. godine, tek treba da detektuje gravitacione talase. Ali u septembru 2015., sistem je nadograđen na Advanced LIGO i nadamo se da će nam fizičari konačno dati dobre vijesti u četvrtak.

Bonus: Primordijalni gravitacioni talasi. Možda se sećate previranja sa BICEP2-ovim "otkrićem" (a potom i nedetekcijom) gravitacionih talasa u slabom primordijalnom "sjaju" Velikog praska poznatog kao kosmička mikrotalasna pozadina (CMB). Iako se "otkriće" BICEP2 pokazalo beznadežnim, vjeruje se da bi sićušni gravitacijski poremećaji u vrijeme Velikog praska mogli ostaviti svoj "otisak" u ovom drevnom zračenju kao posebna vrsta polarizirane svjetlosti. Ako se uoči otisak primordijalnih gravitacionih talasa (onih koje je proizveo Veliki prasak), onda se mogu potvrditi neki modeli kosmičke inflacije i kvantne gravitacije.

Međutim, to nisu gravitacioni talasi koje LIGO traži. LIGO (i slične opservatorije) traže gravitacijske valove koji su generirani energetskim događajima koji se trenutno odvijaju u našem modernom svemiru. Lov na primordijalne gravitacione talase je poput arheoloških iskopavanja prošlosti našeg Univerzuma.

Gravitacioni talasi su fizički poremećaji izazvani obnavljanjem gravitacije u planetarnom okruženju. Drugim riječima, gravitacijski valovi su karakteristični samo za planetarne atmosfere i vodena tijela. U slučaju atmosfere, vazduh duva preko okeana, a zatim, udarivši na ostrvo, na primer, biva primoran da se podigne. Niz vjetar, zrak će biti prisiljen na nižu visinu zbog gravitacije, ali će njegova uzgona djelovati protiv gravitacije, uzrokujući ponovno podizanje. Kao rezultat toga, često područje oscilirajućeg zraka u atmosferi može proizvesti oblake na vrhovima valova. Primeri gravitacionih talasa su talasi vetra, plime i oseke i cunamiji.

Dakle, ispada da sila gravitacije pokreće i gravitacijske valove i gravitacijske valove, ali oni imaju vrlo različita svojstva koja se ne smiju brkati.

Valentin Nikolajevič Rudenko prenosi priču o svojoj poseti gradu Kašini (Italija), gde je proveo nedelju dana na novoizgrađenoj "gravitacionoj anteni" - Majklsonovom optičkom interferometru. Na putu do odredišta taksista zanima za šta je instalacija napravljena. “Ljudi ovdje misle da je to za razgovor s Bogom”, priznaje vozač.

– Šta su gravitacioni talasi?

– Gravitacioni talas je jedan od „nosaca astrofizičkih informacija“. Postoje vidljivi kanali astrofizičkih informacija, posebna uloga u "dalekovidu" pripada teleskopima. Astronomi su savladali i niskofrekventne kanale - mikrotalasne i infracrvene, i visokofrekventne - rendgenske i gama. Osim elektromagnetnog zračenja, možemo registrirati tokove čestica iz Kosmosa. Za to se koriste neutrinski teleskopi - veliki detektori kosmičkih neutrina - čestica koje slabo komuniciraju s materijom i stoga ih je teško registrirati. Gotovo svi teorijski predviđeni i laboratorijski proučavani tipovi "nosaca astrofizičkih informacija" pouzdano se savladavaju u praksi. Izuzetak je bila gravitacija - najslabija interakcija u mikrokosmosu i najmoćnija sila u makrokosmosu.

Gravitacija je geometrija. Gravitacioni talasi su geometrijski talasi, odnosno talasi koji menjaju geometrijske karakteristike prostora dok putuju kroz taj prostor. Grubo rečeno, to su talasi koji deformišu prostor. Deformacija je relativna promjena udaljenosti između dvije tačke. Gravitaciono zračenje se razlikuje od svih drugih vrsta zračenja upravo po tome što su geometrijske.

Da li je Ajnštajn predvideo gravitacione talase?

- Formalno se smatra da je gravitacione talase predvidio Ajnštajn kao jednu od posledica njegove opšte teorije relativnosti, ali zapravo njihovo postojanje postaje očigledno već u specijalnoj teoriji relativnosti.

Teorija relativnosti sugerira da je zbog gravitacijske privlačnosti moguć gravitacijski kolaps, odnosno kontrakcija objekta kao rezultat kolapsa, grubo rečeno, u tačku. Tada je gravitacija toliko jaka da svjetlost ne može ni pobjeći iz nje, pa se takav objekt figurativno naziva crna rupa.

- Koja je posebnost gravitacione interakcije?

Karakteristika gravitacione interakcije je princip ekvivalencije. Prema njegovim rečima, dinamički odgovor test tela u gravitacionom polju ne zavisi od mase ovog tela. Jednostavno rečeno, sva tijela padaju istim ubrzanjem.

Gravitaciona sila je najslabija koju danas poznajemo.

- Ko je prvi pokušao da uhvati gravitacioni talas?

– Eksperiment sa gravitacionim talasima prvi je izveo Džozef Veber sa Univerziteta Merilend (SAD). Stvorio je gravitacijski detektor, koji se danas čuva u Smithsonian muzeju u Washingtonu. U periodu 1968-1972, Joe Weber je napravio seriju zapažanja sa parom razmaknutih detektora u pokušaju da izoluje slučajeve "slučajnosti". Recepcija slučajnosti je posuđena iz nuklearne fizike. Nizak statistički značaj gravitacionih signala koje je primio Veber izazvao je kritički stav prema rezultatima eksperimenta: nije bilo sigurnosti da se gravitacioni talasi mogu detektovati. U budućnosti su naučnici pokušali povećati osjetljivost detektora tipa Weber. Bilo je potrebno 45 godina da se razvije detektor čija je osjetljivost bila adekvatna astrofizičkom predviđanju.

Na početku eksperimenta prije fiksacije, održano je mnogo drugih eksperimenata, u tom periodu su zabilježeni impulsi, ali su imali premali intenzitet.

- Zašto nije odmah najavljeno postavljanje signala?

– Gravitacioni talasi su zabeleženi još u septembru 2015. Ali čak i ako je slučajnost zabilježena, potrebno je dokazati prije nego što se izjavi da nije slučajna. U signalu koji se uzima sa bilo koje antene uvijek postoje šumovi (kratkotrajni rafali), a jedan od njih može slučajno nastati istovremeno sa šumom na drugoj anteni. Da se slučajnost nije dogodila slučajno, moguće je dokazati samo uz pomoć statističkih procjena.

– Zašto su otkrića u oblasti gravitacionih talasa toliko važna?

– Sposobnost registrovanja reliktne gravitacione pozadine i merenja njenih karakteristika, kao što su gustina, temperatura itd., omogućava nam da se približimo početku svemira.

Ono što je privlačno je to što je gravitaciono zračenje teško detektovati jer je vrlo slabo u interakciji sa materijom. Ali, zahvaljujući istom svojstvu, prolazi bez apsorpcije od najudaljenijih objekata od nas sa najmisterioznijim, sa stanovišta materije, svojstvima.

Možemo reći da gravitaciona zračenja prolaze bez izobličenja. Najambiciozniji cilj je istražiti gravitaciono zračenje koje je odvojeno od primarne materije u Teoriji Velikog praska, koja je nastala u trenutku kada je svemir stvoren.

– Isključuje li otkriće gravitacijskih valova kvantnu teoriju?

Teorija gravitacije pretpostavlja postojanje gravitacionog kolapsa, odnosno kontrakcije masivnih objekata u tačku. Istovremeno, kvantna teorija koju je razvila Kopenhaška škola sugerira da je, zahvaljujući principu neizvjesnosti, nemoguće u isto vrijeme odrediti tačno takve parametre kao što su položaj, brzina i impuls tijela. Ovdje postoji princip nesigurnosti, nemoguće je tačno odrediti putanju, jer je putanja i koordinata i brzina, itd. Možete odrediti samo određeni uvjetni koridor povjerenja unutar ove greške, koji je povezan s principima nesigurnosti . Kvantna teorija kategorički negira mogućnost točkastih objekata, ali ih opisuje na statistički vjerovatnost način: ne ukazuje posebno na koordinate, ali ukazuje na vjerovatnoću da ima određene koordinate.

Pitanje ujedinjenja kvantne teorije i teorije gravitacije jedno je od temeljnih pitanja stvaranja jedinstvene teorije polja.

Sada nastavljaju da rade na tome, a riječi "kvantna gravitacija" označavaju potpuno naprednu oblast nauke, granicu znanja i neznanja, na kojoj sada rade svi teoretičari svijeta.

– Šta otkriće može dati u budućnosti?

Gravitacioni talasi neminovno moraju činiti temelj moderne nauke kao jedne od komponenti našeg znanja. Njima je pripisana značajna uloga u evoluciji Univerzuma i uz pomoć ovih talasa Univerzum treba proučavati. Ovo otkriće doprinosi ukupnom razvoju nauke i kulture.

Ako se odluči izaći iz okvira današnje nauke, onda je dozvoljeno zamisliti telekomunikacione gravitacione komunikacione linije, mlazne aparate na gravitacionom zračenju, gravitaciono-talasne introskopske uređaje.

- Imaju li gravitacijski talasi ikakve veze sa ekstrasenzornom percepcijom i telepatijom?

Dont Have. Opisani efekti su efekti kvantnog svijeta, efekti optike.

Razgovarala Anna Utkina

„Nedavno je niz dugoročnih eksperimenata direktnog posmatranja gravitacionih talasa izazvao veliko interesovanje u naučnoj zajednici“, napisao je teorijski fizičar Mičio Kaku u svojoj knjizi Ajnštajnov kosmos iz 2004. - Projekat LIGO (Laser Gravitational Wave Interferometer) može biti prvi koji će "vidjeti" gravitacijske talase, najvjerovatnije od sudara dvije crne rupe u dubokom svemiru. LIGO je ostvarenje snova fizičara, prvo postrojenje s dovoljno snage za mjerenje gravitacijskih valova."

Kakuovo predviđanje se obistinilo: u četvrtak je grupa međunarodnih naučnika iz opservatorije LIGO objavila otkriće gravitacionih talasa.

Gravitacijski valovi su fluktuacije u prostor-vremenu koje "bježe" od masivnih objekata (kao što su crne rupe) koji se kreću ubrzano. Drugim riječima, gravitacijski valovi su propagirajuća perturbacija prostor-vremena, tekuća deformacija apsolutne praznine.

Crna rupa je područje u prostor-vremenu čija je gravitaciona privlačnost toliko jaka da je čak ni objekti koji se kreću brzinom svjetlosti (uključujući i samu svjetlost) ne mogu napustiti. Granica koja odvaja crnu rupu od ostatka svijeta naziva se horizontom događaja: sve što se događa unutar horizonta događaja skriveno je od očiju vanjskog promatrača.

Erin Ryan Fotografiju torte objavila je Erin Ryan na mreži.

Naučnici su počeli da hvataju gravitacione talase pre pola veka: tada se američki fizičar Džozef Veber zainteresovao za Ajnštajnovu opštu teoriju relativnosti (GR), uzeo odmor i počeo da proučava gravitacione talase. Weber je izumio prvi uređaj za detekciju gravitacionih talasa i ubrzo je tvrdio da je snimio "zvuk gravitacionih talasa". Međutim, naučna zajednica je demantovala njegovu poruku.

Međutim, zahvaljujući Joseph Weberu mnogi su se naučnici pretvorili u “gonjače valova”. Danas se Weber smatra ocem naučnog pravca astronomije gravitacionih talasa.

"Ovo je početak nove ere gravitacione astronomije"

Opservatorija LIGO, u kojoj su naučnici snimili gravitacione talase, sastoji se od tri laserske instalacije u Sjedinjenim Državama: dve se nalaze u državi Vašington i jedna u Luizijani. Evo kako Michio Kaku opisuje rad laserskih detektora: „Laserski snop se dijeli na dva odvojena snopa, koji zatim idu okomito jedan na drugi. Zatim se, odraženi od ogledala, ponovo povezuju. Ako gravitacijski val prođe kroz interferometar (mjerni uređaj), dužine putanje dvaju laserskih zraka bit će poremećene i to će se odraziti na njihov interferencijski obrazac. Da signal koji registruje laserska instalacija nije slučajan, detektore treba postaviti na različite tačke na Zemlji.

Samo pod uticajem džinovskog gravitacionog talasa, mnogo većeg od naše planete, svi detektori će raditi istovremeno.

Sada je LIGO kolaboracija otkrila gravitaciono zračenje uzrokovano spajanjem binarnog sistema crnih rupa s masama od 36 i 29 solarnih masa u objekt s masom od 62 solarne mase. „Ovo je prvo direktno (veoma je važno da je direktno!) merenje dejstva gravitacionih talasa“, prokomentarisao je Sergej Vjačanin, profesor na Fakultetu fizike Moskovskog državnog univerziteta, dopisniku naučnog odseka Gazeta.Ru. - Odnosno, primljen je signal od astrofizičke katastrofe spajanja dve crne rupe. I ovaj signal je identificiran - ovo je također vrlo važno! Jasno je da je ovo iz dvije crne rupe. I ovo je početak nove ere gravitacijske astronomije, koja će omogućiti dobivanje informacija o svemiru ne samo putem optičkih, rendgenskih, elektromagnetnih i neutrina izvora, već i putem gravitacijskih valova.

Možemo reći da je 90 posto crnih rupa prestalo biti hipotetički objekti. Ostaje neka sumnja, ali ipak, signal koji je uhvaćen bolno se dobro uklapa u ono što predviđaju bezbrojne simulacije spajanja dvije crne rupe u skladu s općom teorijom relativnosti.

Ovo je jak argument da crne rupe postoje. Još nema drugog objašnjenja za takav signal. Stoga se pretpostavlja da crne rupe postoje.”

"Ajnštajn bi bio veoma srećan"

Gravitacione talase je predvideo Albert Ajnštajn (koji je, inače, bio skeptičan u pogledu postojanja crnih rupa) kao deo svoje opšte teorije relativnosti. U opštoj relativnosti, vrijeme se dodaje na tri prostorne dimenzije i svijet postaje četverodimenzionalan. Prema teoriji koja je fiziku preokrenula, gravitacija je posljedica zakrivljenosti prostor-vremena pod utjecajem mase.

Ajnštajn je dokazao da svaka materija koja se kreće ubrzano stvara perturbaciju prostor-vremena – gravitacioni talas. Ova perturbacija je veća, što je veća ubrzanje i masa objekta.

Zbog slabosti gravitacionih sila u odnosu na druge fundamentalne interakcije, ovi talasi bi trebali imati vrlo malu magnitudu, što je teško registrovati.

Kada objašnjavaju opštu relativnost humanističkim naukama, fizičari ih često traže da zamisle rastegnutu gumu na koju se spuštaju masivne lopte. Kuglice se guraju kroz gumu, a rastegnuti lim (koji predstavlja prostor-vrijeme) se deformiše. Prema opštoj relativnosti, cijeli univerzum je guma, na kojoj svaka planeta, svaka zvijezda i svaka galaksija ostavljaju udubljenja. Naša Zemlja se okreće oko Sunca poput male lopte koja se kotrlja oko konusa lijevka koji je nastao kao rezultat "probijanja" prostor-vremena teškom kuglom.

HANDOUT/Reuters

Teška lopta je Sunce

Vjerovatno je da otkriće gravitacijskih valova, što je glavna potvrda Ajnštajnove teorije, traži Nobelovu nagradu za fiziku. „Ajnštajn bi bio veoma sretan“, rekla je Gabriella Gonzalez, portparol LIGO saradnje.

Prema riječima naučnika, prerano je govoriti o praktičnoj primjeni otkrića. „Iako, da li je Hajnrih Herc (njemački fizičar koji je dokazao postojanje elektromagnetnih talasa. - Gazeta.Ru) mislio da će postojati mobilni telefon? Ne! Trenutno ne možemo ništa da zamislimo“, rekao je Valerij Mitrofanov, profesor na Fakultetu fizike Moskovskog državnog univerziteta. M.V. Lomonosov. - Vodim se filmom "Interstellar". Kritikuju ga, da, ali čak i divlji čovjek bi mogao zamisliti čarobni tepih. I leteći tepih se pretvorio u avion, i to je to. I ovdje je već potrebno zamisliti nešto vrlo složeno. U Interstellaru, jedan od momenata je vezan za činjenicu da osoba može putovati iz jednog svijeta u drugi. Ako jeste, da li vjerujete da osoba može putovati iz jednog svijeta u drugi, da može postojati mnogo univerzuma - bilo šta? Ne mogu odgovoriti ne. Jer fizičar na takvo pitanje ne može odgovoriti sa "ne"! Samo ako je u suprotnosti sa nekim zakonima o očuvanju! Postoje opcije koje nisu u suprotnosti sa poznatim fizičkim zakonima. Dakle, putovanja po svjetovima mogu biti!

Šta za nas znači detekcija gravitacionih talasa.

Mislim da su svi već svjesni da su prije nekoliko dana naučnici prvi put objavili otkriće gravitacijskih talasa. Bilo je puno vijesti o tome, na TV-u, na stranicama vijesti i općenito posvuda. Međutim, u isto vrijeme, nikome nije bilo teško objasniti na pristupačnom jeziku šta nam ovo otkriće daje u praktičnom smislu.

Zapravo, sve je jednostavno, dovoljno je povući analogiju s podmornicom:

Izvor:

Otkrivanje podmornica je prvi i glavni zadatak u borbi protiv njih. Kao i svaki predmet, čamac svojim prisustvom utječe na okoliš. Drugim riječima, čamac ima svoja fizička polja. Poznatija fizička polja podmornice su hidroakustična, magnetska, hidrodinamička, električna, niskofrekventna elektromagnetna, kao i termalna, optička. Odabir fizičkih polja čamca na pozadini polja okeana (mora) je u osnovi glavnih metoda detekcije.
Metode otkrivanja podmornica dijele se prema vrsti fizičkih polja: akustičko, magnetometrijsko, radarsko, plinsko, termalno itd.

Sa prostorom isto smeće. Gledamo zvijezde kroz teleskope, fotografišemo Mars, hvatamo radijaciju i općenito pokušavamo upoznati nebo na sve dostupne načine. A sada, nakon što su ovi talasi fiksirani, dodat je još jedan metod proučavanja - gravitacioni. Moći ćemo vidjeti prostor na osnovu ovih fluktuacija.

Odnosno, kao što je podmornica prošla morem i za sobom ostavila "trag" po kojem se može izračunati, na isti način se nebeska tijela sada mogu proučavati iz drugog ugla radi potpunije slike. U budućnosti ćemo moći vidjeti kako gravitacijski valovi obilaze različite svjetiljke, galaksije, planete, naučit ćemo još bolje izračunati kosmičke putanje objekata (a možda čak i unaprijed prepoznati i predvidjeti približavanje meteorita), videćemo ponašanje talasa u posebnim uslovima, pa, i sve to.

Šta će to dati?

Još nije jasno. Ali s vremenom će oprema postati preciznija i osjetljivija, a prikupljat će se bogat materijal o gravitacijskim valovima. Na osnovu ovih materijala, radoznali umovi će početi da pronalaze sve vrste anomalija, zagonetki i obrazaca. Ove pravilnosti i anomalije će pak poslužiti ili kao opovrgavanje ili kao potvrda starih teorija. Stvoriće se dodatne matematičke formule, zanimljive hipoteze (britanski naučnici su otkrili da golubovi svoj put kući pronalaze gravitacionim talasima!) i još mnogo toga. A žuta štampa će definitivno lansirati neku vrstu mita, kao što je "Gravitacioni cunami", koji će jednog dana doći, prekriti naš solarni sistem i sva živa bića će biti izbačena. I Wang će biti ponovo uvučen. Ukratko, biće zabavno :]

I kakav je rezultat?

Kao rezultat toga, dobićemo savršenije polje nauke, koje će moći da pruži tačniji i širi pogled na naš svet. A ako imate sreće i naučnici naiđu na neki neverovatan efekat... (Kao, ako se dva gravitaciona talasa na punom mesecu "udare" jedan u drugi pod određenim uglom odgovarajućom brzinom, onda se dešava lokalni fokus antigravitacije, o-pa!)... onda se možemo nadati ozbiljnom naučnom napretku.