Гравитационные волны — новое окно во Вселенную

10.01.2023
0
13 мин
93
Гравитационные волны — новое окно во Вселенную

Здравствуйте, уважаемые друзья и любители космоса!

Гравитационные волны — вот тема нашей сегодняшней статьи.

Представьте, что вы можете выбрать новую пару глаз, которая поможет вам видеть вещи, которые вы никогда не могли видеть раньше.

Может быть, вы бы выбрали рентгеновское зрение Супермена, или, может быть, вы бы предпочли приближаться к крошечным вещам и видеть чудеса микроскопического мира.

Наука недавно обрела новый взгляд — новый способ заглянуть в тайны Вселенной — используя гравитационные волны, волны, создаваемые самой гравитацией.

В этой статье я провожу вас в путешествие, которое начинается с объяснения гравитации — от классической точки зрения Исаака Ньютона (Isaac Newton) до современной и более сложной точки зрения Альберта Эйнштейна (Albert Einstein).

Затем я объясню, как движение массивных объектов создает гравитационные волны, которые представляют собой рябь в пространстве и времени, и как их можно использовать для объяснения некоторых тайн Вселенной.

Профессор Бариш (Barish) совместно с профессорами Райнером Вайсом (Rainer Weiss) и Кипом Торном (Kip Thorne) получили Нобелевскую премию по физике в 2017 году за решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн.

Гравитация — от Ньютона до Эйнштейна

В 1687 году великий английский математик и физик сэр Исаак Ньютон (Isaac Newton) опубликовал свою знаменитую книгу «Principia», в которой изложил свою теорию гравитации.

Сила, которая заставляет объекты двигаться навстречу друг другу — первая «универсальная» теория в науке.

Теория Ньютона доказала, что гравитационная сила между двумя объектами пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Звучит сложно, но это означает, что чем больше масса объектов и чем ближе они друг к другу, тем сильнее гравитационная сила, которую они оказывают друг на друга.

Хотя это правда, оказалось, что замечательная теория Ньютона имеет несколько ограничений.

Во-первых, вы когда-нибудь задумывались, почему яблоко, падающее с дерева, падает вниз, а не вверх?

Когда вы прыгаете, почему вы возвращаетесь на Землю, а не летите вверх?

Теория Ньютона на самом деле не отвечает на эти простые вопросы.

Она только говорит нам о силе гравитации, которую два объекта оказывают друг на друга, как сила между яблоком и Землей или между вами и Землей.

Теория Ньютона не рассматривает направление силы между объектами (навстречу друг другу или друг от друга) и не объясняет, откуда берется гравитация в первом приближении (рисунок 1).

Успешная теория гравитации Исаака Ньютона имеет несколько ограничений.

Рисунок 1. Успешная теория гравитации Исаака Ньютона имеет несколько ограничений. (A) Вы когда-нибудь задумывались, почему вы падаете на Землю, когда подпрыгиваете, а не летите в небо? Что привлекает вас обратно на Землю? Теория Ньютона не могла ответить на этот вопрос. (B) Когда яблоко падает с дерева, наблюдателю требуется время, чтобы понять, что это произошло, потому что информация распространяется со скоростью света. Теория Ньютона предполагает, что наблюдатель видит, как яблоко падает мгновенно, точно в тот же момент, когда оно падает. Оба ограничения были разрешены теорией гравитации Эйнштейна.

Вторую трудность с теорией Ньютона понять немного сложнее.

Представьте, что Солнце внезапно исчезло.

Если бы оно исчезло прямо сейчас, потребовалось бы около 8 минут, прежде чем мы смогли бы увидеть, что его больше нет, потому что свету требуется 8 минут, чтобы дойти до нас от Солнца.

То же верно и для всего остального, что происходит во Вселенной — требуется время, чтобы информация дошла от события до наблюдателя.

Таким образом, когда яблоко падает с дерева, наблюдателю должно пройти некоторое время (пусть даже крошечная доля секунды), чтобы понять, что же произошло на самом деле (рисунок 1)).

Теория Ньютона не учитывает этот временной интервал, поэтому, согласно его теории, наблюдатель видит падающее яблоко точно в тот момент, когда оно действительно падает.

Мы знаем, что в действительности это не так — следовательно, мы можем заключить, что в теории Ньютона чего-то не хватает.

Как мы можем решить эти две загадки, поставленные теорией Ньютона?

К счастью, более чем через 200 лет после Ньютона любимый физик Альберт Эйнштейн нашел решение.

В 1915 году Эйнштейн опубликовал новую теорию гравитации, названную общей теорией относительности.

Теория Эйнштейна имеет совершенно иной взгляд на гравитацию, и она помогает нам понять вещи, которые теория Ньютона не могла объяснить.

Это не означает, что теория Ньютона была неправильной или бесполезной — это просто означает, что она была неполной и что более новая теория помогает нам глубже понять вещи.

Теория Эйнштейна утверждает, что вокруг любого массивного объекта пространство и время подвергаются воздействию и искажаются или искривляются, и это создает притяжение к этому объекту.

Вот простой способ понять идею гравитации Эйнштейна.

Представьте, что вы кладете шарик на плоский батут.

Шарик остается неподвижным и не двигается (рисунок 2А).

Однако, если вы поместите большой шар для боулинга в центр батута, что сделает батут изогнутым, шарик упадет к центру батута (рисунок 2В).

Присутствие тяжелого шара для боулинга исказило пространство, занимаемое батутом, таким образом, что шарик переместился к шару для боулинга, как будто притягиваемый им.

Это в основном то, что происходит в общей теории относительности Эйнштейна.

Наличие любой массы искажает пространство вокруг нее таким образом, что создается притяжение между массами.

Эта картина гравитации отвечает на вопрос, на который не смог ответить Ньютон: почему (и как) гравитация создает силу притяжения и почему вы падаете на Землю, когда подпрыгиваете?

Вторая проблема, связанная со временем, также была решена Эйнштейном, поскольку его теория учитывает скорость света.

В следующем разделе мы увидим интересное и важное явление, называемое гравитационными волнами, которое предсказывает теория гравитации Эйнштейна.

Гравитация по Альберту Эйнштейну

Рисунок 2 – Гравитация по Альберту Эйнштейну. (A) Когда вы кладете шарик на плоский батут, он остается на месте. Это представляет ситуацию в космосе, когда нет массивных объектов. (B) Когда вы кладете тяжелый шар для боулинга в середину батута, батут искривляется. Если вы сейчас поместите шарик на батут, он переместится к центру. Это представляет гравитацию в модели Эйнштейна, где массивный объект (например, звезда) искривляет пространство и время и, следовательно, притягивает к себе другой объект (например, яблоко или вас самих).

Что такое гравитационные волны?

Одно из предсказаний общей теории относительности Эйнштейна состоит в том, что гравитация должна иметь волны — гравитационные волны.

Простой способ подумать о гравитационных волнах — представить себя у неподвижного пруда… затем вы бросаете в пруд камень.

Камень делает всплеск и опускается на дно пруда.

Хотя камень сейчас покоится на дне пруда, вы все еще можете увидеть эффект, который он оказал на поверхность воды, где волны движутся от центра наружу (рисунок 3А).

Это также способ визуализировать то, что происходит с гравитационными волнами.

Гравитационную волну создает не камень, падающий в пруд, а скорее движение или столкновение массивных объектов в пространстве (рисунок 3В).

Гравитационные волны

Рисунок 3 – Гравитационные волны. (A) Когда вы бросаете камень в тихий пруд, вы можете увидеть рябь (волны), движущуюся по поверхности воды, даже когда камень уже лежит на дне пруда. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, это похоже на то, как образуются гравитационные волны при столкновении массивных объектов. (B) Гравитационные волны создаются, когда два массивных объекта сталкиваются друг с другом. Волны продолжают путешествовать в пространстве даже после того, как произошло столкновение.

Проблемы и успехи обнаружения гравитационных волн

После того как теория Эйнштейна предсказала существование гравитационных волн, физики-экспериментаторы начали пытаться их обнаружить.

Некоторые посвятили более 20 лет своей жизни разработке методов обнаружения гравитационных волн и продолжают это делать.

Оказывается, что, когда дело доходит до гравитационных волн, у нас есть как большое несчастье, так и большая удача.

Несчастье в том, что в настоящее время мы не можем создавать гравитационные волны в наших лабораториях, потому что они слишком слабы, чтобы мы могли обнаружить их с помощью имеющихся у нас методов.

Это несчастье, потому что хорошие эксперименты — это те, в которых мы понимаем все, что происходит, а это гораздо легче осуществить в лаборатории.

С другой стороны, нам повезло — сама природа создает гравитационные волны, которые намного сильнее тех, которые мы могли бы создать в лаборатории.

Это означает, что некоторые астрономические события, создающие гравитационные волны — два из которых я упомяну ниже — потенциально могут быть обнаружены с помощью наших нынешних современных детекторов.

Хотя эти события должны быть самыми сильными и энергичными астрономическими явлениями во Вселенной, чтобы мы могли их обнаружить, они все еще происходят достаточно часто, чтобы их изучать.

Самые жестокие события во Вселенной — это взрывы и столкновения чрезвычайно тяжелых объектов.

Один прекрасный возможный источник гравитационных волн, который мы можем обнаружить — это тип взрыва, называемый сверхновой.

Когда массивная звезда стареет, у нее заканчивается топливо, она остывает и схлопывается внутрь.

Это производит огромное количество энергии, вызывая ядерный синтез, который приводит к мощному взрыву.

Сверхновая возникает, когда массивная звезда стареет и быстро коллапсирует внутрь.

Коллапс создает огромный рост температуры и давления, что может усилить ядерный синтез.

Реакция, при которой ядра атомов сливаются, образуя более тяжелые ядра, что высвобождает большое количество энергии в окружающую среду.

Тепло и свет Солнца являются результатом ядерного синтеза, когда более легкие ядра в атомах объединяются в более тяжелые ядра и выделяют энергию.

Это может вызвать так называемый «неуправляемый ядерный синтез», который заставляет звезду взрываться с огромной энергией, создавая, согласно теории Эйнштейна, сильные гравитационные волны.

Когда дело доходит до сильных столкновений в космосе, одни из самых энергичных происходят между массивными объектами, такими как черные дыры и нейтронные звезды.

Черные дыры являются самыми массивными объектами, известными во Вселенной, и они обладают таким мощным гравитационным притяжением, что «проглатывают» все, что приближается к ним, даже звезды.

Ничто не может вырваться из черных дыр, даже свет — отсюда и их название.

Нейтронные звезды являются остатками сверхгигантских звезд, которые коллапсировали и чрезвычайно плотны и состоят в основном из нейтральных субатомных частиц, называемых нейтронами.

В 2015 году были обнаружены первые гравитационные волны.

Бариш вместе с двумя его коллегами, Райнером Вайсом и Кипом Торном, получили Нобелевскую премию по физике за это открытие всего два года спустя, в 2017 году.

Обычно проходит не менее 20 лет, прежде чем ученые получают Нобелевскую премию за свою работу, но Открытие гравитационных волн имело особое значение по причинам, которые я объясню ниже.

После тех первых наблюдений гравитационных волн от столкновения двух черных дыр мы позже обнаружили другие столкновения, порождающие гравитационные волны — одно в 2017 году между двумя нейтронными звездами, а другое в 2020 году между черной дырой и нейтронной звездой.

Измерение гравитационных волн

Когда мы измеряем гравитационные волны, мы на самом деле измеряем искажения (рябь), которые они создают в пространстве и времени.

Когда эти искажения достигают наших детекторов, они невероятно малы — намного меньше даже размера одного протона.

Положительно заряженная частица, присутствующая в ядре всех атомов.

Протоны меньше одной миллиардной ширины человеческого волоса.

Для измерения таких слабых сигналов наши детекторы должны иметь точность выше 1/1000 размера протона!

Как вы можете себе представить, этого чрезвычайно трудно достичь, и для этого требуется использование очень специальной техники, называемой интерферометрией.

Метод измерения, использующий лазерные лучи для обнаружения очень малых явлений, таких как в нашем случае гравитационные волны.

Я не буду подробно описывать это здесь, но интерферометрия использует взаимодействие между лазерными лучами, чтобы обнаруживать очень маленькие сжатия и расширения пространства.

Чтобы проводить такие чувствительные измерения, нам необходимо изолировать наше оборудование, чтобы ничто не могло помешать нашим измерениям — даже малейшее движение может заглушить искомый сигнал.

Одним из источников возмущения является движение самой Земли, которая сотрясается при вращении вокруг своей оси (это сотрясение слишком слабое, чтобы его могли почувствовать люди, но его можно обнаружить с помощью чувствительных приборов).

Это означает, что нам нужно переместить наш измерительный прибор так, чтобы он не улавливал движения Земли.

Создание инструментов для измерения гравитационных волн было чрезвычайно сложной задачей.

Инструмент, который мы используем, называется LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), что означает лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории.

LIGO имеет длину несколько километров (рисунок 4).

Его строительство и эксплуатация обошлись более чем в 1 миллиард долларов.

Большая часть этой работы по-прежнему связана с разработкой технологий, которые позволяют нам достичь большей чувствительности при обнаружении гравитационных волн без нежелательных движений, разрушающих наши измерения.

Многие спрашивают Бариша, не раздражает ли это работать над одной и той же проблемой более 20 лет.

И его ответ — категорическое нет!

Он получает огромное удовольствие, решая проблемы на этом пути, и для него большая честь делать то, что никто никогда не делал раньше.

Детектор гравитационных волн LIGO (Ливингстон, Луизиана, США)

Рисунок 4 – Детектор гравитационных волн LIGO (Ливингстон, Луизиана, США). Вид с высоты птичьего полета на один из двух детекторов гравитационных волн, обнаруживших первые в истории измерения гравитационных волн в 2015 году. Каждый детектор LIGO состоит из двух плеч длиной 4 километра (2,5 мили) каждый, изготовленных из стали шириной 1,2 метра вакуумные трубки расположены в форме буквы «L» и покрыты бетонным укрытием шириной 3 метра и высотой 3,7 метра, которое защищает трубки от окружающей среды. LIGO может обнаруживать гравитационные волны, исходящие с любого направления, даже снизу.

Гравитационные волны: новое окно во Вселенную

Итак, какова важность гравитационных волн при попытке понять вселенную?

Во-первых, гравитационные волны помогают нам убедиться, что общая теория относительности Эйнштейна действительно верна.

Несмотря на то, что теория Эйнштейна кажется обоснованной и очень точной, это не единственная теория, предсказывающая гравитационные волны.

Чтобы подтвердить, что теория Эйнштейна верна и может объяснить, что такое гравитация и как она работает, нам нужно измерить детали гравитационных волн, которые мы обнаруживаем.

Во-вторых, гравитационные волны могут помочь нам узнать что-то новое о Вселенной.

Вы можете думать об этом как о новой эре в астрономии, очень похожей на ту, которую 400 лет назад открыл знаменитый астроном Галилео Галилей (Galileo Galilei), когда он сделал телескоп и смотрел с его помощью на небо.

Мы можем использовать гравитационные волны, чтобы смотреть на Вселенную совершенно по-другому, чем раньше, — используя «гравитационный телескоп».

Изучение гравитационных волн может помочь нам лучше понять, как происходят катастрофические (очень мощные) астрономические события, такие как столкновения между черными дырами и нейтронными звездами.

Эта информация может дать представление о событиях, которые произошли на ранних стадиях формирования Вселенной, а также может помочь нам найти ответы на интригующие вопросы о нашей собственной планете, например, как тяжелые элементы, такие как золото и платина, попали на Землю.

Однако мы еще не очень искушены в работе с гравитационными волнами, поэтому обычно объединяем информацию, которую получаем при измерении гравитации, с данными, уже имеющимися у нас с телескопов.

Это позволяет нам построить картину космических событий, которая выходит далеко за рамки того, что мы могли бы понять без использования гравитационных волн.

В будущем, когда мы станем лучше обнаруживать гравитационные волны, мы надеемся увидеть космические явления, используя только гравитационные волны.

Это очень захватывающее время в космологии, поскольку наша способность обнаруживать гравитационные волны открывает новое окно в космологические события, которые помогут нам лучше понять нашу вселенную.

Рекомендации для молодых умов

Один из уроков, которые Бариш усвоил в жизни, заключается в том, что важно обращать внимание на свои мечты и пытаться их осуществить.

Ваши мечты о будущем говорят вам кое-что о том, чего вы хотите в жизни — быть ли это физиком или художником, или просто заниматься чем-то приятным, например, путешествовать или заниматься любимым хобби.

Вам не обязательно добиваться успеха во всем, к чему призывают вас ваши мечты, но ваши мечты подсказывают вам кое-что о том, по какому пути идти.

Еще один важный урок, который он усвоил, заключается в том, что все, что он делает в своей жизни, управляется одним словом: любопытство.

Молодые люди от природы очень любознательны, и вы должны дорожить своим любопытством и не позволять ничему затмить его — ни учителям, ни родителям, ни кому-либо еще.

Итак, его совет: развивайте свое любопытство, получайте удовольствие, следуйте за своими мечтами и игнорируйте все, что может ограничить ваш энтузиазм.

Для тех из вас, кто интересуется наукой, наука может быть очень интересной.

В жизни нет ничего лучше, чем делать что-то хорошее, веселиться и зарабатывать на жизнь.

Так что для Бариша наука — действительно хорошее занятие.

Но вы должны помнить, что неудача — это часть науки, и признать, что не все, что вы делаете, увенчается успехом… и что неудача может быть хорошей вещью.

Когда вы находитесь в авангарде науки, занимаясь чем-то, чего никогда раньше не делали, это временами разочаровывает.

Каждый день вы будете в ситуации, когда вы действительно не знаете, добьетесь ли вы прогресса или, возможно, даже нового открытия, или сделаете ли вы что-то, что вообще не работает.

Для таких людей, как Бариш, это неизвестное доставляет удовольствие от занятий наукой!

Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.

До скорых встреч! Заходите!

Средний балл: 4