Что такое гравитационные волны и что можно узнать с их помощью? Разбор
14 сентября 2015 года в 12 часов 50 минут и 45 секунд по московскому временипроизошло одно очень интересное событие, которое вы возможно и не заметили. На самом деле в тот самый момент вас, да именно вас совсем чуть-чуть растянуло! Что спросите вы? Как это растянуло?
А мы скажем, растянуло не только вас, а вообще все вокруг, все предметы, все здания, воздух, океаны и всю планету. Ну и сжало чуть-чуть тоже!
А вместе с нами это же произошло еще и с двумя детекторами находящиеся в противоположных концах Северной Америки, которые зафиксировали очень схожие сигналы почти одновременно. А спустя всего 2 года трем ученым из США за это будет вручена Нобелевская премия по физике!
Дело в том, что тогда были впервые зафиксированы гравитационные волны и была экспериментально подтверждена теория Альберта Эйнштейна об их существовании! Кстати, столетней давности.
Сегодня мы с вами разберемся с тем, что такое вообще гравитационные волны, как их зафиксировали и почему это действительно очень круто!
Ну и конечно посмотрим на один из самых чувствительных приборов созданных человеком, в возможность постройки которого не верил и сам Альберт Эйнштейн!
История
В 1915 году Альберт Эйнштейн представил миру свою главную теорию, которая описывает то, как работает наша вселенная. Это была общая теория относительности, которая объясняла почему все тела притягиваются друг к другу.
Она представляла все во вселенной как единое пространство-время, а притяжение именно как изменение этого пространства-времени. К сожалению, представить это в реальности трудно – ведь речь идет о четырехерном пространстве!
Но можно убрать одно из пространств и тогда все становится чуть более понятно. Представьте себе сильно натянутую простыню — она и будет нашим пространством. Теперь на эту простыню мы положим тяжелый шарик. Получилась воронка! Эта воронка фактически как гравитационная яма! Теперь если вокруг нее мы покатим шарик поменьше, то он вращаясь вокруг более тяжелого объекта будет медленно к нему приближаться и как бы падать в эту ямку!
Это вращение вокруг крупного объекта и есть движение по орбите, благодаря которому вокруг планет вращаются спутники, Земля вращается вокруг Солнца и вообще все во вселенной взаимодействует!
И дело в том, что Эйнштейн еще описал, что из-за движения объектов в самом пространстве-времени оно искривляется и может сжиматься и растягиваться само по себе. То есть абсолютно любые объекты, имеющие массу, могут это делать!
Даже вы, когда встаете со своего дивана, искривляете пространство вокруг себя! Правда совсем чуть-чуть, но все равно искривляете.
Так вот а если эти объекты очень тяжелые — такие как нейтронные звезды, или черные дыры, то они искривляют пространство уже существенно, и мало того что искривляют так еще и могут создавать волны в этом пространстве вокруг себя.
И эти волны распространяются через вселенную со скоростью света! По сути, они похожи на волны на воде, когда в нее попадает камешек.
Давайте еще разочек для закрепления. Гравитационные волны — это фактически рябь самого пространства вокруг нас! Невероятно просто!
Так вот Эйнштейн предсказал их существование, но он также сказал, что эти волны настолько слабые, что человечество вряд ли сможет когда-либо построить настолько чувствительные приборы! Но человечество решило, что надо доказать, что Эйнштейн прав и надо как-то эти волны зафиксировать.
Детекторы и проблема
А почему они такие слабые? Все дело в расстояниях!
Гравитационная волна, как и любая волна со временем затухает. А когда такое событие происходит в миллиардах световых лет от нас то до Земли доходят только жалкие отголоски тех колоссальных событий! Ну а насколько же они слабые?
Вот представьте, что вам надо измерить шкаф, с какой точностью вам надо уметь измерять, чтобы не ошибиться? Ну допустим полмиллиметра! Этого будет более чем достаточно.
А как вы думаете какая точность должна быть у детектора гравитационных волн, чтобы он мог зафиксировать их?
10 в минус 18 степени метра или 0,00000000000000001 метра
Это невероятно малое расстояние! Это размер одной десятитысячной размера протона! Ну или, если сказать по-другому, то нужно уметь измерять расстояние в 40 триллионов километров с точностью до толщины человеческого волоса!
Как вообще возможно такое измерить? И тут нам на помощь приходят невероятные свойства света! Точнее его волновая природа! А именно способность электромагнитных волн к интерференции. Если вы забыли, что это такое: это когда две и более волны накладываются друг на друга и могут таким образом увеличивать или уменьшать амплитуду!
Помните как работает активное шумоподавление в наушниках? Когда наушники посылают звуковую волну в противофазе и как бы отменяют внешний шум у вас в ушах. Тут точно такая же история только со световой волной!
То есть в нашем случае: если у вас два лазерных пучка, с абсолютно одинаковой частотой, амплитудой и мощностью, летят паралельно, но при этом их волны находятся в противофазе, то в конце детектор не сможет ничего измерить, потому что волны полностью отменяют друг друга.
Но в тот момент, когда один из этих пучков хоть чуть-чуть меняется, то сразу интерференционная картинка меняется и волны перестают как бы отменять друг-друга.
На основе этого основополагающего физического явления в 90-ых годах и были построены 2 детектора LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).
LIGO
И чтобы вы понимали каждый детектор LIGO — это уголок со сторонами длиной в 4 километра каждая.
Только представьте, что для регистрации таких маленьких величин надо построить инструмент с длиной плеча в 40 футбольных полей!
В самом углу этого сооружения находится лазер! Да не просто какой-то лазер, а специальный лазер мощностью в 1 мегаватт!
Далее этот лазерный луч с помощью специального зеркала разделяется на два луча и один из них отклоняется на 90 градусов. То есть каждый луч как бы улетает в свое четырехкилометровое плечо детектора.
В конце каждого плеча находятся одни из самых гладких зеркал, которые когда-либо производились человечеством. Каждое из них весит по 40 кг и подвешено на тонкие кварцевые нити, толщиной всего 0,4 миллиметра! Это все нужно для поглощения вибраций!
Кстати, по поводу вибраций! Вы ведь обратили внимание, что я сказал, что детекторов два! Зачем же их два?
А все дело в том, что когда вы пытаетесь измерить размеры в тысячные диаметра протона, то даже взмахнувший крыльями комар может помешать вашим измерениям!
Но как мы уже и говорили гравитационные волны, хоть и слабые, но действуют вообще на все, они проходят через всю планету!
Поэтому было построено 2 детектора в двух отдаленных друг от друга концах США — один в штате Вашингтон, что на северо-западе страны, не путать со столицей, а второй в штате Луизиана, на юге страны! В результате оба детектора находятся друг от друга в чуть более чем 3 тысячах километров! Гравитационной волне требуется около 10 миллисекунд, чтобы это расстояние преодолеть. А раз волна проходит через всю планету, то пролетает она и через оба детектора. И когда измерения этих двух детекторов совпадают — считается, что это и была гравитационная волна! Ну а задержка между этими измерениями как раз и составляет около 10 миллисекунд.
Ну а если есть какие-то сторонние вибрации и их регистрирует только один из двух детекторов, соответственно они и не считаются!
Теперь вернемся к нашим лазерам! Итак, когерентный свет летит в плечи детектора, отражается и летит обратно, и если гравитационная волна не проходит в момент работы детектора, то никакого сдвига по фазе и нет.
Но как только она проходит сквозь него, то одно из плеч чуть-чуть удлиняется, что приводит к тому что свет уже больше не находится идеально в противофазе и появляется очень слабый сигнал!
И тут внимательный зритель спросит нас — а как же так? Если гравитационная волна меняет абсолютно все вокруг нас, то и сам свет она тоже немного растягивает, и сжимает. И как тогда что-то измерить, если весь свет тоже растянулся вместе с длинной плеча?
И тут нам опять на помощь приходит потрясающая красота физики. В нашем мире есть скорость света в вакууме. Это абсолютная величина, которая не зависит ни от чего! Свет в вакууме всегда летит с одинаковой скоростью, даже если его немного растянуло или сжало.
То есть можно измерять не только сигнал от волн, но и то сколько времени свету надо на прохождение каждого плеча, и если это время меняется, то значит, трубка чуть-чуть удлинилась или сжалась!
В общем можно сказать, что Эйнштейн недооценил того как сильно может развиться человечество! Гениально же!!
Но, для этого соответственно нужен очень хороший вакуум. Каждая сторона детектора содержит в себе длинные четырехкилометровые вакуумные трубки.
Только представьте, что только на откачку воздуха из них потребовалось 40 дней! А откачиваемый объем воздуха — второй по размеру после Большого Адронного Коллайдера!
Результаты
И вот в сентябре 2015 впервые были зафиксированы первые гравитационные волны, что стало одним из главных открытий физики, да и вообще науки двадцать первого века! Это были волны от слияния двух черных дыр массами около 36 и 29 масс Солнца. В результате получилась черная дыра размером в 62 солнечных массы. Ну а куда же тогда делись еще целых 3 солнца??
А эта была та колоссальная энергия, которая выделилась в результате этого столкновения, и частичку которой, спустя почти 1,3 миллиарда лет мы тут с вами на Земле и зарегистрировали! И вот в течении всего 7 лет мы уже зарегистрировали волны не только от слияния черных дыр, но и от слияния нейтронной звезды и черной дыры и от слияния двух нейтронных звезд.
Таким образом, мы закрыли все возможные теоретические сценарии образования таких волн, достаточной силы, чтобы мы могли их измерить! Ну а нам потребовалось всего каких-то сто лет чтобы доказать одну теорию великого Эйнштейна.
Выводы
Не знаю как вам, но нам кажется, что это просто невероятно красиво, когда человечество изобретает новые методы изучения мира вокруг нас, используя основополагающие законы физики. Да и не только изобретает, но и таким образом наглядно подтверждает великие теории, такие как теория относительности!
Кроме того уже разрабатывается следующий этап наблюдения за гравитационными волнами, с плечом не в 4 км, а в 1 миллион километров! Понятное дело что на Земле такое не построить — у нее диаметр почти 13 тысяч километров. Для этого планируется запустить 3 спутника и проект называется LISA.
Вот тут точность уже будет сильно выше и она позволит детектировать слияния сверхмассивных черных дыр на границе Вселенной! То есть заглянуть в прошлое почти что к самому большому взрыву! Однако запуск планируется только в 2037 году. Что же будем ждать и надеяться что мы дождемся!
Post Views: 261