Гравитационные волны: самое революционное открытие в физике за последние 100 лет
Привет. Ученые, работающие над экспериментом LIGO в США впервые обнаружили неуловимую рябь в ткани пространства и времени, известную как гравитационные волны. Нет никаких сомнений, что Находка является одним из самых революционных открытий в физике за последние 100 лет. Но что это?
Чтобы лучше понять феномен, давайте вернемся на несколько сотен лет назад. В 1687 году, когда Исаак Ньютон опубликовал свой труд под названием «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» (Математические начала натуральной философии), он думал о гравитационной силе как о силе притяжения между двумя массами - будь то Земля и Луна или две горошины на столе. Однако, характер передачи этой силы в то время был менее понятным. Действительно, сам закон тяготения не был протестирован, пока британский ученый Генри Кавендиш не сделал этого в 1798 году, измеряя плотность Земли.
В 1916 году Эйнштейн представил физикам новое понимание о пространстве, времени и гравитации. Основываясь на работе, опубликованной в 1905 году, общая теория относительности связала вместе то, что мы обычно рассматриваем как отдельные сущности - пространство и время - в то, что теперь называется пространством-временем “space-time”.
Пространство-время можно рассматривать как ткань Вселенной. Это означает, что все, что движется, движется через неё. В этой модели все, что имеет массу искажает пространство-временную ткань. Чем больше масса, тем больше искажение. И поскольку каждый движущийся объект перемещается в пространстве-времени, он также будет подвергаться воздействию искажений, вызванных объектами с большой массой.
Один из способов понять этот феномен - рассмотреть двух детей, один тяжелее другого, играющих на батуте. Если мы рассматриваем поверхность батута как ткань, тогда более массивный ребенок искажает ткань больше, чем другой. Если один ребенок кладет мяч рядом с ногами другого, тогда мяч будет катиться, следуя за его искажениями. Точно так же, когда Земля двигается вокруг Солнца, огромная масса солнца искажает пространство вокруг нее, заставляя нашу сравнительно крошечную планету, следовать по соответствующей траектории в изогнутом пространстве. Вот почему Земля вращается вокруг Солнца.
Если понять эту простую аналогию, то у нас уже будут основы гравитации. Переход к гравитационным волнам-это небольшой, но очень важный шаг. Пусть один из детей потянет тяжелый предмет по батуту. Это создает пульсацию на его поверхности, которую можно будет наблюдать. Другой способ визуализировать это-рассмотреть перемещении руки через воду. От движения руки образуется рябь, но быстро исчезает.
Любой объект, перемещающийся по пространственно-временной ткани, вызывает волны или рябь в этой ткани. К сожалению, эта рябь исчезает также довольно быстро, и только самые серьезные события вызывают искажения такой силы, чтобы их возможно было обнаружить на Земле. Чтобы представить это в перспективе, можно рассмотреть столкновение двух черных дыр, каждая с массой в десять раз больше, чем у нашего солнца, приведет к волне, вызывающей искажение 1% диаметра атома, когда она достигнет Земли. В этом масштабе искажение порядка 0,0000000000001 м изменения диаметра Земли по сравнению с изменением 1 м из-за приливной волны.
Для чего можно использовать гравитационные волны?
Принимая во внимание, что эта рябь настолько мала и ее так трудно обнаружить, почему мы прилагаем такие усилия, чтобы найти эти волны - и зачем нам вообще пытаться их обнаружить? На ум приходят сразу две причины (за скобками остается простое любопытство). Во-первых, они были предсказаны Эйнштейном 100 лет назад. Поэтому подтверждение существования гравитационных волн обеспечивает дальнейшую сильную наблюдательную поддержку его общей теории относительности.
Кроме того, это подтверждение может открыть новые области физики, такие как гравитационно-волновая астрономия. Изучая гравитационные волны в результате процессов, которые их произвели - в нашем случае две сталкивающиеся черные дыры - мы могли видеть скрытые подробности о мощных событиях в космосе.
Однако, чтобы максимально использовать такую астрономию, лучше всего разместить детектор в космосе. Расположенному на поверхности Земли LIGO удалось зафиксировать гравитационные волны с использованием лазерной интерферометрии. Эта технология работает путем разделения лазерного луча в двух перпендикулярных направлениях, отправляя каждый их них по длинному вакуумному туннелю. Две траектории, затем отражаются от зеркала, возвращаясь обратно до точки, в которой они начинались, где расположен детектор. Если траектории лучей будут нарушены гравитационными волнами на своем пути, рекомбинированные лучи будут отличаться от оригинала. Однако космические интерферометры, запланированные на следующее десятилетие, будут использовать лазерные пушки, охватывающие до миллиона километров.
Теперь, когда мы знаем, что гравитационные волны существуют, есть надежда, что они могут помочь ответить на некоторые из самых больших тайн в науке, например, из чего состоит большая часть Вселенной. Только 5% Вселенной - обычное вещество, 27% - темная материя, а остальные 68% - темная энергия, причем последние два называются «темными», поскольку мы не понимаем, что они собой представляют. Гравитационные волны теперь могут служить инструментом, позволяющим исследовать эти тайны таким же образом, как мы исследуем тело человека при помощи рентгеновских лучей или МРТ.
