Co mogą dać fale grawitacyjne. Znaleźliśmy fale grawitacyjne

Valentin Nikołajewicz Rudenko dzieli się historią swojej wizyty w mieście Kaszyna (Włochy), gdzie spędził tydzień na nowo zbudowanej wówczas „antenie grawitacyjnej” – optycznym interferometrze Michelsona. W drodze do celu taksówkarz pyta, do czego zbudowano instalację. „Tu ludzie myślą, że to do rozmowy z Bogiem” — przyznaje kierowca.

- Czym są fale grawitacyjne?

- Fala grawitacyjna jest jednym z „nośników informacji astrofizycznej”. Widoczne są kanały informacji astrofizycznych, szczególną rolę w „widzeniu na odległość” odgrywają teleskopy. Astronomowie opanowali także kanały o niskiej częstotliwości – mikrofalowym i podczerwonym oraz wysokiej częstotliwości – rentgenowskim i gamma. Oprócz promieniowania elektromagnetycznego możemy rejestrować przepływy cząstek z kosmosu. W tym celu wykorzystywane są teleskopy neutrinowe – wielkogabarytowe detektory neutrin kosmicznych – cząstek, które słabo oddziałują z materią i przez to są trudne do zarejestrowania. Prawie wszystkie przewidywane teoretycznie i przebadane laboratoryjnie typy „nośników informacji astrofizycznych” zostały rzetelnie opanowane w praktyce. Wyjątkiem była grawitacja – najsłabsze oddziaływanie w mikroświecie i najbardziej Potężna siła w makrokosmosie.

Grawitacja to geometria. Fale grawitacyjne to fale geometryczne, to znaczy fale, które zmieniają geometryczne właściwości przestrzeni, gdy przechodzą przez tę przestrzeń. Z grubsza mówiąc, są to fale, które deformują przestrzeń. Deformacja to względna zmiana odległości między dwoma punktami. Promieniowanie grawitacyjne różni się od wszystkich innych rodzajów promieniowania właśnie tym, że jest geometryczne.

- Czy Einstein przewidział fale grawitacyjne?

- Formalnie uważa się, że Einstein przewidział fale grawitacyjne, jako jedną z konsekwencji jego ogólna teoria względności, ale w rzeczywistości ich istnienie staje się oczywiste już w specjalna teoria względność.

Teoria względności zakłada, że ​​dzięki przyciąganiu grawitacyjnemu możliwe jest zapadanie się grawitacyjne, czyli kurczenie się obiektu w wyniku zapadnięcia się, z grubsza mówiąc, do punktu. Wtedy grawitacja jest tak silna, że ​​światło nie może nawet z niej uciec, dlatego taki obiekt jest w przenośni nazywany czarną dziurą.

- Jaka jest specyfika oddziaływania grawitacyjnego?

Cechą oddziaływania grawitacyjnego jest zasada równoważności. Według niego dynamiczna reakcja ciała testowego w polu grawitacyjnym nie zależy od masy tego ciała. Mówiąc najprościej, wszystkie ciała spadają z tym samym przyspieszeniem.

Siła grawitacji jest obecnie najsłabsza, jaką znamy.

- Kto pierwszy próbował złapać falę grawitacyjną?

- Eksperyment z falami grawitacyjnymi został po raz pierwszy przeprowadzony przez Josepha Webera z University of Maryland (USA). Stworzył detektor grawitacyjny, który obecnie znajduje się w Smithsonian Museum w Waszyngtonie. W latach 1968-1972 Joe Weber przeprowadził serię obserwacji za pomocą pary oddalonych od siebie detektorów, próbując wyizolować przypadki „zbiegów okoliczności”. Technika koincydencji została zapożyczona z fizyki jądrowej. Niska istotność statystyczna sygnałów grawitacyjnych odbieranych przez Webera spowodowała krytyczne podejście do wyników eksperymentu: nie było pewności, że można ustalić fale grawitacyjne. Później naukowcy próbowali zwiększyć czułość detektorów typu Webera. 45 lat zajęło opracowanie detektora, którego czułość była adekwatna do przewidywań astrofizycznych.

Na początku eksperymentu przed fiksacją miało miejsce wiele innych eksperymentów, w tym okresie rejestrowano impulsy, ale ich intensywność była zbyt niska.

- Dlaczego nie ogłoszono od razu, że sygnał został naprawiony?

- Fale grawitacyjne zostały zarejestrowane we wrześniu 2015 roku. Ale nawet jeśli zarejestrowano zbieg okoliczności, przed ogłoszeniem należy udowodnić, że nie jest on przypadkowy. W sygnale pobieranym z dowolnej anteny zawsze występują skoki szumów (okresowe impulsy), a jeden z nich może przypadkowo wystąpić jednocześnie z impulsem szumu na innej antenie. Tylko za pomocą ocen statystycznych można udowodnić, że zbieg okoliczności nie był przypadkowy.

- Dlaczego odkrycia w dziedzinie fal grawitacyjnych są tak ważne?

- Możliwość zarejestrowania reliktowego tła grawitacyjnego i zmierzenia jego cech, takich jak gęstość, temperatura itp., pozwala zbliżyć się do początku wszechświata.

Atrakcyjną rzeczą jest to, że promieniowanie grawitacyjne jest trudne do wykrycia, ponieważ bardzo słabo oddziałuje z materią. Ale dzięki tej samej właściwości przechodzi bez wchłaniania od obiektów najbardziej od nas oddalonych o najbardziej tajemniczych, z punktu widzenia materii, właściwościach.

Można powiedzieć, że promieniowanie grawitacyjne przechodzi bez zniekształceń. Najbardziej ambitnym celem jest zbadanie promieniowania grawitacyjnego, które zostało oddzielone od pierwotnej materii w teorii Wielki wybuch, który powstał w momencie stworzenia wszechświata.

- Czy odkrycie fal grawitacyjnych wyklucza teorię kwantową?

Teoria grawitacji zakłada istnienie kolapsu grawitacyjnego, czyli kurczenia się masywnych obiektów do punktu. Jednocześnie teoria kwantowa opracowana przez Szkołę Kopenhaską sugeruje, że ze względu na zasadę nieoznaczoności niemożliwe jest jednoczesne wskazanie dokładnie takich parametrów jak współrzędna, prędkość i pęd ciała. Istnieje zasada nieoznaczoności, nie da się dokładnie określić trajektorii, bo trajektoria jest zarówno współrzędną, jak i prędkością itp. W ramach tego błędu można zdefiniować tylko pewien warunkowy korytarz ufności, co wiąże się z zasadami niepewności . Teoria kwantów kategorycznie zaprzecza możliwości istnienia obiektów punktowych, ale opisuje je w sposób statystycznie probabilistyczny: nie wskazuje konkretnie współrzędnych, ale wskazuje prawdopodobieństwo, że ma określone współrzędne.

Kwestia unifikacji teorii kwantów i teorii grawitacji jest jednym z podstawowych pytań dotyczących stworzenia zunifikowanej teorii pola.

Pracują nad tym nadal, a słowa „grawitacja kwantowa” oznaczają całkowicie zaawansowaną dziedzinę nauki, granicę wiedzy i ignorancji, gdzie obecnie pracują wszyscy teoretycy świata.

- Co odkrycie może dać w przyszłości?

Fale grawitacyjne nieuchronnie muszą leżeć w fundamencie nowoczesna nauka jako jeden ze składników naszej wiedzy. Przypisuje się im zasadniczą rolę w ewolucji Wszechświata i za pomocą tych fal należy badać Wszechświat. Odkrycie przyczynia się do ogólnego rozwoju nauki i kultury.

Jeśli zdecydujesz się wyjść poza zakres dzisiejszej nauki, to można sobie wyobrazić linie telekomunikacyjne połączenie grawitacyjne, aparatura odrzutowa na promieniowanie grawitacyjne, urządzenia do introskopii fal grawitacyjnych.

- Czy fale grawitacyjne mają związek z percepcją pozazmysłową i telepatią?

Nie masz. Opisane efekty to efekty świata kwantowego, efekty optyki.

Wywiad przeprowadziła Anna Utkina

11 lutego 2016 roku międzynarodowa grupa naukowców, m.in. z Rosji, na konferencji prasowej w Waszyngtonie ogłosiła odkrycie, które prędzej czy później zmieni rozwój cywilizacji. Można było udowodnić w praktyce fale grawitacyjne lub fale czasoprzestrzeni. Ich istnienie przepowiedział 100 lat temu Albert Einstein w swoim.

Nikt nie wątpi, że to odkrycie zostanie uhonorowane nagroda Nobla... Naukowcy nie spieszą się z rozmowami o jego praktycznym zastosowaniu. Przypominają jednak, że do niedawna ludzkość też nie wiedziała, co zrobić z falami elektromagnetycznymi, co w końcu doprowadziło do prawdziwej rewolucji naukowej i technologicznej.

Czym są fale grawitacyjne w prostych słowach

Grawitacja i grawitacja to jedno i to samo. Jednym z rozwiązań OTS są fale grawitacyjne. Muszą rozprzestrzeniać się z prędkością światła. Promieniuje z każdego ciała poruszającego się ze zmiennym przyspieszeniem.

Na przykład obraca się na swojej orbicie ze zmiennym przyspieszeniem skierowanym w stronę gwiazdy. A to przyspieszenie ciągle się zmienia. Układ Słoneczny emituje energię rzędu kilku kilowatów w falach grawitacyjnych. To nieznaczna liczba w porównaniu z 3 starymi kolorowymi telewizorami.

Kolejną rzeczą są dwa pulsary (gwiazdy neutronowe) krążące wokół siebie. Obracają się po bardzo bliskich orbitach. Taka „para” została odkryta przez astrofizyków i była obserwowana przez długi czas. Obiekty były gotowe do opadania na siebie, co pośrednio wskazywało, że pulsary emitują w swoim polu fale czasoprzestrzeni, czyli energię.

Grawitacja to siła grawitacji. Przyciąga nas do ziemi. A istotą fali grawitacyjnej jest zmiana w tym polu, niezwykle słaba jeśli chodzi o nas. Weźmy na przykład poziom wody w zbiorniku. Siła pola grawitacyjnego to przyspieszenie grawitacji w określonym punkcie. Przez nasz zbiornik przepływa fala i nagle przyspieszenie swobodnego spadania zmienia się, całkiem sporo.

Takie eksperymenty rozpoczęły się w latach 60. ubiegłego wieku. Wtedy myśleli w ten sposób: zawieszono ogromny aluminiowy cylinder, chłodzony, aby uniknąć wewnętrznych wibracji termicznych. I czekali, aż fala ze zderzenia, na przykład, dwóch masywnych czarnych dziur, nagle do nas dotrze. Badacze byli entuzjastycznie nastawieni i powiedzieli, że wszyscy Ziemia może doświadczyć wpływu fali grawitacyjnej przybywającej z kosmosu. Planeta zacznie się kołysać i te fale sejsmiczne (ściskanie, ścinanie i powierzchnia) można badać.

Ważny artykuł o urządzeniu w prostych słowach oraz o tym, jak Amerykanie i LIGO ukradli pomysł radzieckich naukowców i zbudowali introferometry, które umożliwiły dokonanie odkrycia. Nikt o tym nie mówi, wszyscy milczą!

Nawiasem mówiąc, promieniowanie grawitacyjne jest bardziej interesujące z punktu widzenia promieniowania reliktowego, które starają się znaleźć zmieniając widmo promieniowania elektromagnetycznego. Relikt i promieniowanie elektromagnetyczne pojawiły się 700 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, a następnie w procesie rozszerzania się wszechświata wypełnionego gorącym gazem z przemieszczającymi się falami uderzeniowymi, które później przekształciły się w galaktyki. W tym przypadku, naturalnie, powinna była zostać wyemitowana gigantyczna, oszałamiająca ilość fal czasoprzestrzeni, wpływając na długość fali promieniowania reliktowego, które w tamtym czasie było jeszcze optyczne. Krajowy astrofizyk Sazhin pisze i regularnie publikuje artykuły na ten temat.

Błędna interpretacja odkrycia fal grawitacyjnych

„Lustro wisi, działa na nie fala grawitacyjna i zaczyna wibrować. I nawet najmniejsze wahania o amplitudzie mniejszej niż wielkość jądra atomowego są zauważane przez instrumenty” – taką błędną interpretację stosuje się na przykład w artykule Wikipedii. Nie bądź leniwy, znajdź artykuł radzieckich naukowców z 1962 roku.

Po pierwsze, lustro musi być masywne, aby wyczuć zmarszczki. Po drugie, musi być schłodzony prawie do zera absolutnego (kelwinów), aby uniknąć naturalnych drgań termicznych. Najprawdopodobniej nie tylko w XXI wieku, ale w ogóle nigdy nie będzie można go znaleźć cząstka elementarna- nośnik fal grawitacyjnych:

W czwartek 11 lutego grupa naukowców z międzynarodowego projektu LIGO Scientific Collaboration ogłosiła, że ​​odniosła sukces, którego istnienie przewidział już w 1916 roku Albert Einstein. Według naukowców 14 września 2015 r. zarejestrowali falę grawitacyjną, która powstała w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur o masie 29 i 36 razy więcej masy Słońce, po którym połączyły się w jedną dużą czarną dziurę. Według nich stało się to podobno 1,3 miliarda lat temu w odległości 410 megaparseków od naszej galaktyki.

Szczegóły dotyczące fal grawitacyjnych i wielkoskalowego odkrycia LIGA.net Bogdan Hnatyk, ukraiński naukowiec, astrofizyk, doktor nauk fizycznych i matematycznych, czołowy badacz w Kijowskim Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytet Narodowy nazwany na cześć Tarasa Szewczenki, który kierował obserwatorium w latach 2001-2004.

Teoria w prostym języku

Fizyka bada interakcje między ciałami. Ustalono, że istnieją cztery rodzaje interakcji między ciałami: elektromagnetyczne, silne i słabe oddziaływanie jądrowe oraz oddziaływanie grawitacyjne, które wszyscy odczuwamy. Dzięki oddziaływaniu grawitacyjnemu planety krążą wokół Słońca, ciała mają ciężar i spadają na ziemię. Człowiek nieustannie mierzy się z oddziaływaniem grawitacyjnym.

W 1916 roku, 100 lat temu, Albert Einstein zbudował teorię grawitacji, która poprawiła newtonowską teorię grawitacji, uczyniła ją matematycznie poprawną: zaczęła spełniać wszystkie wymagania fizyki, zaczęła brać pod uwagę fakt, że grawitacja rozchodzi się z prędkością bardzo wysoka, ale skończona prędkość. Jest to słusznie jedno z największych osiągnięć Einsteina, ponieważ zbudował on teorię grawitacji, która odpowiada wszystkim zjawiskom fizyki, które dzisiaj obserwujemy.

Ta teoria również sugerowała istnienie… fale grawitacyjne... Podstawą tej prognozy było to, że fale grawitacyjne istnieją w wyniku oddziaływania grawitacyjnego, które zachodzi w wyniku połączenia dwóch masywnych ciał.

Co to jest fala grawitacyjna

Skomplikowany język to ekscytacja metryki czasoprzestrzeni. „Powiedzmy, że przestrzeń ma pewną elastyczność i fale mogą przez nią przebiegać. To tak, jak gdy wrzucimy kamyk do wody i fale się od niego rozproszą” – powiedział LIGA.net doktor fizyki i matematyki.

Naukowcom udało się eksperymentalnie udowodnić, że takie oscylacje miały miejsce we Wszechświecie i fala grawitacyjna biegła we wszystkich kierunkach. „Metoda astrofizyczna jako pierwsza zarejestrowała zjawisko tak katastrofalnej ewolucji układu podwójnego, kiedy dwa obiekty łączą się w jeden, a połączenie to prowadzi do bardzo intensywnego uwalniania energii grawitacyjnej, która następnie rozchodzi się w przestrzeni w postaci fale grawitacyjne” – wyjaśnił naukowiec.

Te fale grawitacyjne są bardzo słabe i aby mogły wstrząsnąć czasoprzestrzenią, konieczne jest oddziaływanie bardzo dużych i masywnych ciał, aby siła pola grawitacyjnego była duża w miejscu powstawania. Jednak mimo ich słabości obserwator po pewnym czasie (równym odległości do oddziaływania podzielonej przez prędkość propagacji sygnału) zarejestruje tę falę grawitacyjną.

Podajmy przykład: gdyby Ziemia spadła na Słońce, wówczas doszłoby do oddziaływania grawitacyjnego: wyzwolona zostałaby energia grawitacyjna, powstałaby fala grawitacyjna sferycznie symetryczna i obserwator mógłby ją zarejestrować. „Podobne, ale unikalne z punktu widzenia astrofizyki zjawisko miało tu miejsce: zderzyły się dwa masywne ciała – dwie czarne dziury” – zauważył Gnatyk.

Powrót do teorii

Czarna dziura to kolejne przewidywanie ogólnej teorii względności Einsteina, która przewiduje, że ciało o ogromnej masie, ale masa ta skoncentrowana w małej objętości, może znacząco zniekształcić przestrzeń wokół siebie, aż do jej zamknięcia. Czyli założono, że gdy zostanie osiągnięta krytyczna koncentracja masy tego ciała - taka, że ​​rozmiar ciała będzie mniejszy niż tzw. promień grawitacyjny, to przestrzeń wokół tego ciała zostanie zamknięta i jego topologia będzie taka, że ​​żaden sygnał z niej nie będzie się rozchodził poza zamkniętą przestrzeń nie może.

„To jest czarna dziura, w prostych słowach, to masywny obiekt, który jest tak ciężki, że zamyka wokół siebie czasoprzestrzeń” – mówi naukowiec.

A my, według niego, możemy wysłać do tego obiektu dowolne sygnały, ale on nie może nam wysłać żadnych. Oznacza to, że żadne sygnały nie mogą wyjść poza czarną dziurę.

Czarna dziura żyje zgodnie ze zwykłymi prawami fizycznymi, ale w wyniku silnej grawitacji ani jedno ciało materialne, nawet foton, nie jest w stanie wyjść poza tę krytyczną powierzchnię. Czarne dziury powstają podczas ewolucji zwykłych gwiazd, kiedy centralny rdzeń zapada się i część materii gwiazdy, zapadając się, zamienia się w czarną dziurę, a druga część gwiazdy jest wyrzucana jako otoczka supernowej, zamieniając się w tzw. zwany „błyskiem” Supernowej.

Jak widzieliśmy falę grawitacyjną

Podajmy przykład. Gdy na powierzchni wody mamy dwa pływaki i woda jest spokojna, odległość między nimi jest stała. Kiedy nadchodzi fala, przesuwa te pływaki i zmienia się odległość między pływakami. Fala przeszła - a pływaki wracają do swoich poprzednich pozycji, a odległość między nimi zostaje przywrócona.

Podobnie fala grawitacyjna rozchodzi się w czasoprzestrzeni: ściska i rozciąga ciała i obiekty, które spotykają się na jej drodze. „Kiedy obiekt napotkany na drodze fali odkształca się wzdłuż swoich osi, a po jego przejściu powraca do swojego poprzedniego kształtu. Pod działaniem fali grawitacyjnej wszystkie ciała ulegają deformacji, ale te deformacje są bardzo nieznaczne ”, mówi Gnatyk.

Po przejściu fali, co zarejestrowali naukowcy, względna wielkość ciał w przestrzeni zmieniła się o wielkość rzędu 1 pomnożoną przez 10 do potęgi minus 21. Na przykład, jeśli weźmiesz linijkę metryczną, to skurczy się ona o taką wartość, jaka była jej wielkość pomnożona przez 10 do minus 21 potęgi. To bardzo skromna kwota. Problem polegał na tym, że naukowcy musieli nauczyć się mierzyć tę odległość. Konwencjonalne metody dawały dokładność rzędu 1 na 10 do 9 potęgi miliona, ale tutaj potrzebna jest znacznie wyższa dokładność. W tym celu stworzono tzw. anteny grawitacyjne (detektory fal grawitacyjnych).

Antena rejestrująca fale grawitacyjne jest zbudowana w ten sposób: są to dwie rury o długości około 4 kilometrów, umieszczone w kształcie litery „L”, ale o tych samych ramionach i pod kątem prostym. Kiedy fala grawitacyjna uderza w układ, deformuje skrzydła anteny, ale w zależności od orientacji deformuje jedno bardziej, a drugie mniej. A potem jest różnica ścieżek, zmienia się wzór interferencji sygnału - jest całkowita amplituda dodatnia lub ujemna.

„Oznacza to, że przejście fali grawitacyjnej jest podobne do fali na wodzie przechodzącej między dwoma pływakami: gdybyśmy zmierzyli odległość między nimi podczas i po przejściu fali, zobaczylibyśmy, że odległość się zmieni, a następnie byłoby znowu tak samo” – powiedział Gnatyk.

Mierzy również względną zmianę odległości między dwoma skrzydłami interferometru, z których każde ma około 4 kilometry długości. I tylko bardzo precyzyjne technologie i systemy mogą zmierzyć tak mikroskopijne przemieszczenie skrzydeł wywołane falą grawitacyjną.

Na granicy wszechświata: skąd nadeszła fala

Naukowcy zarejestrowali sygnał za pomocą dwóch detektorów zlokalizowanych w Stanach Zjednoczonych w dwóch stanach: Luizjanie i Waszyngtonie w odległości około 3 tys. kilometrów. Naukowcy byli w stanie oszacować, skąd pochodził ten sygnał iz jakiej odległości. Szacunki pokazują, że sygnał pochodził z odległości 410 megaparseków. Megaparsek to odległość, jaką światło pokonuje w ciągu trzech milionów lat.

Aby łatwiej sobie wyobrazić: najbliższą aktywną galaktyką z supermasywną czarną dziurą w centrum jest Centaurus A, który znajduje się w odległości czterech megaparseków od naszej, podczas gdy Mgławica Andromeda znajduje się w odległości 0,7 megaparseków. „To znaczy odległość, z której nadszedł sygnał fali grawitacyjnej jest tak duża, że ​​sygnał dotarł do Ziemi przez około 1,3 miliarda lat. Są to odległości kosmologiczne, które sięgają około 10% horyzontu naszego Wszechświata” – mówi naukowiec. powiedział.

W takiej odległości, w jakiejś odległej galaktyce, połączyły się dwie czarne dziury. Otwory te z jednej strony były stosunkowo niewielkich rozmiarów, a z drugiej strony duża siła amplitudy sygnału wskazuje, że były bardzo ciężkie. Stwierdzono, że ich masy wynosiły odpowiednio 36 i 29 mas Słońca. Jak wiecie, masa Słońca jest wartością równą 2 razy 10 do 30 potęgi kilograma. Po połączeniu te dwa ciała połączyły się i teraz na ich miejscu utworzyła się jedna czarna dziura, która ma masę równą 62-krotności masy Słońca. W tym samym czasie około trzech mas Słońca wytrysnęło w postaci energii fal grawitacyjnych.

Kto dokonał odkrycia i kiedy?

Naukowcom z międzynarodowego projektu LIGO udało się wykryć falę grawitacyjną 14 września 2015 r. LIGO (Obserwatorium Grawitacyjne Interferometrii Laserowej) to międzynarodowy projekt, w którym bierze udział wiele państw, które wniosły pewien wkład finansowy i naukowy, w szczególności wiodące w tej dziedzinie USA, Włochy, Japonia.

Zarejestrowano następujący obraz: nastąpiło przemieszczenie skrzydeł detektora grawitacyjnego, w wyniku rzeczywistego przejścia fali grawitacyjnej przez naszą planetę i przez tę instalację. Tego wtedy nie zgłoszono, bo sygnał trzeba było przetworzyć, „oczyścić”, znaleźć swoją amplitudę i sprawdzić. To standardowa procedura: od faktycznego odkrycia do ogłoszenia odkrycia - wydanie uzasadnionego oświadczenia zajmuje kilka miesięcy. „Nikt nie chce zepsuć ich reputacji. To wszystko są tajne dane, przed publikacją o których nikt nie wiedział, były tylko plotki” – powiedział Hnatyk.

Historia

Fale grawitacyjne badano od lat 70. ubiegłego wieku. W tym czasie powstało wiele detektorów i wiele podstawowe badania... W latach 80. amerykański naukowiec Joseph Weber zbudował pierwszą antenę grawitacyjną w postaci aluminiowego walca o wielkości około kilku metrów, wyposażoną w czujniki piezoelektryczne, które miały rejestrować przejście fali grawitacyjnej.

Czułość tego urządzenia była milion razy gorsza niż dzisiejsze detektory. I oczywiście wtedy nie mógł tak naprawdę naprawić fali, chociaż Weber powiedział, że to zrobił: prasa o tym pisała i nastąpił „boom grawitacyjny” - świat natychmiast zaczął budować anteny grawitacyjne. Weber zachęcał innych naukowców do badania fal grawitacyjnych i kontynuowania eksperymentów nad tym zjawiskiem, dzięki czemu udało się milion razy podnieść czułość detektorów.

Jednak samo zjawisko fal grawitacyjnych zostało zarejestrowane w ubiegłym stuleciu, kiedy naukowcy odkryli podwójny pulsar. Była to pośrednia rejestracja faktu istnienia fal grawitacyjnych, udowodniona dzięki: obserwacje astronomiczne... Pulsar został odkryty przez Russella Hulse i Josepha Taylora w 1974 roku podczas obserwacji radioteleskopu Arecibo Observatory. Naukowcom przyznano Nagrodę Nobla w 1993 roku „za odkrycie nowego typu pulsara, który dał nowe możliwości w badaniu grawitacji”.

Badania na świecie i na Ukrainie

We Włoszech podobny projekt o nazwie Panna jest bliski ukończenia. Japonia również zamierza za rok uruchomić podobny detektor, Indie również przygotowują taki eksperyment. Oznacza to, że w wielu częściach świata są podobne detektory, ale nie osiągnęły jeszcze tego trybu czułości, abyśmy mogli mówić o naprawieniu fal grawitacyjnych.

„Ukraina oficjalnie nie jest członkiem LIGO, a także nie uczestniczy w projektach włoskich i japońskich. Wśród takich fundamentalnych kierunków Ukraina uczestniczy obecnie w projekcie LHC (LHC – Large Hadron Collider) oraz w CERN” (będziemy oficjalnie zostać członkiem dopiero po opłaceniu wpisowego)” – powiedział LIGA.net doktor nauk fizycznych i matematycznych Bogdan Gnatyk.

Według niego, od 2015 roku Ukraina jest pełnoprawnym członkiem międzynarodowej współpracy CTA (MCHT-Cherenkov Telescope Array), która buduje nowoczesny multiteleskop TeV zakres gamma (o energiach fotonów do 1014 eV). „Głównymi źródłami takich fotonów są właśnie sąsiedztwo supermasywnych czarnych dziur, których promieniowanie grawitacyjne po raz pierwszy zarejestrował detektor LIGO. Dlatego otwierają się nowe okna w astronomii – fala grawitacyjna i multi TeV Pole elektromagnetyczne obiecuje nam w przyszłości o wiele więcej odkryć – dodaje naukowiec.

Co dalej i jak nowa wiedza pomoże ludziom? Naukowcy się nie zgadzają. Niektórzy twierdzą, że to tylko kolejny krok w zrozumieniu mechanizmów Wszechświata. Inni postrzegają to jako pierwszy krok w kierunku nowych technologii poruszania się w czasie i przestrzeni. Tak czy inaczej – to odkrycie po raz kolejny udowodniło, jak mało rozumiemy i jak wiele pozostaje do nauczenia.

Przypomnijmy, że niedawno naukowcy z LIGO ogłosili wielki przełom w fizyce, astrofizyce i naszych badaniach Wszechświata: odkrycie fal grawitacyjnych, które przewidział Albert Einstein 100 lat temu. Gizmodo był w stanie zlokalizować dr Amber Staver z Obserwatorium Livingston w Luizjanie, współpracującego z LIGO, i dowiedzieć się szczegółowo, co to oznacza dla fizyki. Rozumiemy, że w kilku artykułach trudno będzie dojść do globalnego zrozumienia nowego sposobu rozumienia naszego świata, ale spróbujemy.

Do tej pory wykonano ogromną pracę, aby zlokalizować pojedynczą falę grawitacyjną i był to wielki przełom. Wygląda na to, że otwierają się przed astronomią mnóstwo nowych możliwości – ale czy to pierwsze odkrycie jest „prostym” dowodem na to, że odkrycie jest możliwe samo w sobie, czy można już od niego wyciągnąć więcej? osiągnięcia naukowe? Co masz nadzieję uzyskać z tego w przyszłości? Czy w przyszłości będą łatwiejsze metody wykrywania tych fal?

To rzeczywiście pierwsze wykrycie wyłamania, ale celem zawsze było wykorzystanie fal grawitacyjnych do wytworzenia nowa astronomia... Zamiast szukać światła widzialnego we wszechświecie, możemy teraz wyczuć subtelne zmiany w grawitacji, które są spowodowane przez największe, najsilniejsze i (moim zdaniem) najciekawsze rzeczy we wszechświecie - w tym te, o których nigdy nie mogliśmy uzyskać informacji za pomocą światła.

Udało nam się to zastosować nowy typ astronomia na fale pierwszego wykrycia. Korzystając z tego, co już wiemy o ogólnej teorii względności (ogólnej teorii względności), byliśmy w stanie przewidzieć, jak będą wyglądały fale grawitacyjne obiektów takich jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe. Sygnał, który znaleźliśmy, pasuje do pary czarnych dziur, jednej 36 i drugiej 29 razy masywniejszej niż Słońce, obracającej się, gdy zbliżają się do siebie. W końcu łączą się w jedną czarną dziurę. Jest to więc nie tylko pierwsza detekcja fal grawitacyjnych, ale także pierwsza bezpośrednia obserwacja czarnych dziur, ponieważ nie da się ich zaobserwować za pomocą światła (jedynie przez krążącą wokół nich materię).

Dlaczego masz pewność, że efekty zewnętrzne (takie jak wibracje) nie wpływają na wyniki?

W LIGO rejestrujemy znacznie więcej danych związanych z naszym środowiskiem i sprzętem niż danych, które może zawierać sygnał fali grawitacyjnej. Powodem tego jest to, że chcemy mieć jak największą pewność, że nie dajemy się zwieść efektom zewnętrznym ani nie wprowadzamy w błąd co do wykrycia fali grawitacyjnej. Jeśli wyczujemy nienormalne podłoże w momencie wykrycia sygnału fali grawitacyjnej, najprawdopodobniej odrzucimy tego kandydata.

Wideo: Krótki opis fal grawitacyjnych

Innym środkiem, który podejmujemy, aby uniknąć zobaczenia czegoś losowego, jest to, że oba detektory LIGO powinny widzieć ten sam sygnał w czasie potrzebnym na przejście fali grawitacyjnej między dwoma obiektami. Maksymalny czas podróży dla takiej podróży to około 10 milisekund. Aby mieć pewność możliwości wykrycia, musimy widzieć sygnały o tym samym kształcie, niemal w tym samym czasie, a zbierane przez nas dane o naszym środowisku muszą być wolne od anomalii.

Jest wiele innych testów, które kandydat zdaje, ale są to te podstawowe.

Czy istnieje praktyczny sposób na generowanie fal grawitacyjnych, które można wykryć za pomocą takich urządzeń? Czy możemy zbudować radio grawitacyjne lub laser?

Sugerujesz, co zrobił Heinrich Hertz pod koniec lat 80. XIX wieku, aby wykryć fale elektromagnetyczne w postaci fal radiowych. Ale grawitacja jest najsłabszą z podstawowych sił, które spajają wszechświat. Z tego powodu ruch mas w laboratorium lub innym obiekcie w celu wytworzenia fal grawitacyjnych będzie zbyt słaby, aby mógł zostać wykryty nawet przez detektor taki jak LIGO. Aby stworzyć fale wystarczająco silne, będziemy musieli kręcić hantlem z taką prędkością, że rozbije każdy znany materiał. Ale we Wszechświecie jest wiele dużych objętości masy, które poruszają się niezwykle szybko, dlatego budujemy detektory, które będą ich szukać.

Czy to potwierdzenie zmieni naszą przyszłość? Czy będziemy w stanie wykorzystać moc tych fal do badania kosmosu? Czy będzie możliwe komunikowanie się za pomocą tych fal?

Ze względu na ilość masy, która musi przemieszczać się z ekstremalną prędkością, aby wytworzyć fale grawitacyjne, które wykrywacze takie jak LIGO mogą wykryć, jedynym znanym mechanizmem tego zjawiska są pary gwiazd neutronowych lub czarnych dziur wirujące przed połączeniem (mogą istnieć inne źródła). Szanse, że ta zaawansowana cywilizacja manipuluje substancją, są niezwykle małe. Osobiście uważam, że nie byłoby wspaniale znaleźć cywilizację, która może używać fal grawitacyjnych jako środka komunikacji, ponieważ może nas to wykończyć żartobliwie.

Czy fale grawitacyjne są spójne? Czy można je uczynić spójnymi? Czy potrafisz je skoncentrować? Co się stanie z masywnym obiektem, na który oddziałuje skupiona wiązka grawitacji? Czy ten efekt można wykorzystać do ulepszenia akceleratorów cząstek?

Niektóre rodzaje fal grawitacyjnych mogą być spójne. Wyobraź sobie gwiazdę neutronową, która jest prawie idealnie kulista. Jeśli wiruje szybko, małe odkształcenia, mniejsze niż cal, wytworzą fale grawitacyjne o określonej częstotliwości, dzięki czemu będą spójne. Ale skupianie fal grawitacyjnych jest bardzo trudne, ponieważ wszechświat jest dla nich przezroczysty; fale grawitacyjne przechodzą przez materię i wychodzą niezmienione. Musisz zmienić tor przynajmniej niektórych fal grawitacyjnych, aby je skoncentrować. Być może egzotyczna forma soczewkowania grawitacyjnego może przynajmniej częściowo skupiać fale grawitacyjne, ale ich użycie będzie trudne, jeśli nie niemożliwe. Jeśli da się je skoncentrować, nadal będą tak słabe, że nie wyobrażam sobie ich praktycznego zastosowania. Ale mówili też o laserach, które w zasadzie są po prostu skupionym spójnym światłem, więc kto wie.

Jaka jest prędkość fali grawitacyjnej? Czy ma masę? Jeśli nie, czy może się ruszyć? większa prędkość Sveta?

Uważa się, że fale grawitacyjne poruszają się z prędkością światła. Jest to prędkość ograniczona przez ogólną teorię względności. Ale eksperymenty takie jak LIGO powinny to przetestować. Być może poruszają się nieco wolniej niż prędkość światła. Jeśli tak, to teoretyczna cząstka związana z grawitacją, grawiton, miałaby masę. Ponieważ sama grawitacja działa między masami, wzmocni to teorię złożoności. Ale nie niemożliwości. Używamy brzytwy Ockhama: najprostsze wyjaśnienie jest zwykle najbardziej poprawne.

Jak daleko trzeba być od połączenia czarnych dziur, aby móc o nich mówić?

W przypadku naszych podwójnych czarnych dziur, które wykryliśmy z fal grawitacyjnych, spowodowały one maksymalną zmianę długości naszych 4-kilometrowych ramion o 1x10 -18 metrów (to 1/1000 średnicy protonu). Uważamy również, że te czarne dziury znajdują się 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi.

Załóżmy teraz, że mamy dwa metry wzrostu i unosimy się w odległości Ziemi od Słońca z czarnej dziury. Myślę, że doświadczysz naprzemiennego spłaszczania i rozciągania o około 165 nanometrów (twój wzrost zmienia się o większą wartość w ciągu dnia). Można to przeżyć.

Jeśli korzystasz z nowego sposobu słuchania kosmosu, co najbardziej interesuje naukowców?

Potencjał nie jest do końca poznany, w tym sensie, że może być o wiele więcej lokalizacji niż myśleliśmy. Im więcej dowiadujemy się o wszechświecie, tym lepiej możemy odpowiadać na jego pytania za pomocą fal grawitacyjnych. Na przykład te:

• Co powoduje GRB?
• Jak zachowuje się materia w ekstremalnych warunkach zapadającej się gwiazdy?
• Jakie były pierwsze chwile po Wielkim Wybuchu?
• Jak zachowuje się materia w gwiazdach neutronowych?

Ale bardziej interesuje mnie, co nieoczekiwanego można wykryć za pomocą fal grawitacyjnych. Za każdym razem, gdy ludzie obserwowali Wszechświat w nowy sposób, odkrywaliśmy wiele nieoczekiwanych rzeczy, które wywracały nasze rozumienie Wszechświata do góry nogami. Chcę znaleźć te fale grawitacyjne i odkryć coś, o czym wcześniej nie mieliśmy pojęcia.

Czy to pomoże nam stworzyć prawdziwy napęd warp?

Ponieważ fale grawitacyjne słabo oddziałują z materią, nie można ich użyć do poruszania tej materii. Ale nawet gdybyś mógł, fala grawitacyjna porusza się tylko z prędkością światła. Nie będą działać z napędem warp. Byłoby jednak fajnie.

A co z urządzeniami antygrawitacyjnymi?

Aby stworzyć urządzenie antygrawitacyjne, musimy zamienić siłę grawitacji na siłę odpychania. I chociaż fala grawitacyjna propaguje zmiany grawitacji, ta zmiana nigdy nie jest odpychająca (lub negatywna).

Grawitacja jest zawsze atrakcyjna, ponieważ wydaje się, że ujemna masa nie istnieje. W końcu istnieje ładunek dodatni i ujemny, północny i południowy biegun magnetyczny, ale tylko dodatnia masa. Czemu? Gdyby istniała masa ujemna, kula materii spadałaby w górę, a nie w dół. Odrzuciłby go dodatnia masa Ziemi.

Co to oznacza dla podróży w czasie i teleportacji? Czy możemy znaleźć? praktyczne użycie do tego zjawiska, poza badaniem naszego Wszechświata?

Teraz najlepszym sposobem podróżowania w czasie (i tylko do przyszłości) jest podróż z prędkością bliską światłu (pamiętaj o paradoksie bliźniąt w ogólnej teorii względności) lub podróż do regionu o zwiększonej grawitacji (ten rodzaj podróży w czasie został zademonstrowany w Międzygwiezdny). Ponieważ fala grawitacyjna propaguje zmiany grawitacji, generowane będą bardzo małe wahania prędkości czasu, ale ponieważ fale grawitacyjne są z natury słabe, wahania czasowe również są słabe. I chociaż nie sądzę, że możesz zastosować to do podróży w czasie (lub teleportacji), nigdy nie mów nigdy (założę się, że sapnęłaś).

Czy nadejdzie dzień, w którym przestaniemy potwierdzać Einsteina i znów zaczniemy szukać dziwnych rzeczy?

Oczywiście! Ponieważ grawitacja jest najsłabszą z sił, trudno też z nią eksperymentować. Do tej pory za każdym razem, gdy naukowcy testowali ogólną teorię względności, otrzymywali dokładnie przewidywane wyniki. Nawet wykrycie fal grawitacyjnych po raz kolejny potwierdziło teorię Einsteina. Ale przypuszczam, że kiedy zaczniemy sprawdzać najdrobniejsze szczegóły teorii (może falami grawitacyjnymi, może inną), znajdziemy „śmieszne” rzeczy, jak np. nie do końca dokładna zbieżność wyniku eksperymentu z prognozą. Nie oznacza to, że ogólna teoria względności jest błędna, a jedynie konieczność doprecyzowania jej szczegółów.

Wideo: Jak fale grawitacyjne wysadziły internet?

Za każdym razem, gdy odpowiadamy na jedno pytanie o przyrodę, pojawiają się nowe. W końcu będziemy mieli pytania, które będą fajniejsze niż odpowiedzi, na które pozwala ogólna teoria względności.

Czy możesz wyjaśnić, w jaki sposób to odkrycie może mieć związek z ujednoliconą teorią pola lub wpłynąć na nią? Czy jesteśmy bliżej potwierdzenia tego czy obalenia?

Teraz wyniki naszego odkrycia poświęcone są głównie weryfikacji i potwierdzeniu ogólnej teorii względności. Zunifikowana teoria pola poszukuje sposobu na stworzenie teorii wyjaśniającej fizykę bardzo małych ( mechanika kwantowa) i bardzo duże (ogólna teoria względności). Teraz te dwie teorie można uogólnić, aby wyjaśnić skalę świata, w którym żyjemy, ale nic więcej. Ponieważ nasze odkrycie skupia się na fizyce bardzo dużego obszaru, samo to nie posunie nas zbytnio w kierunku zunifikowanej teorii. Ale to nie jest pytanie. Teraz właśnie narodziła się dziedzina fizyki fal grawitacyjnych. Gdy dowiemy się więcej, na pewno poszerzymy nasze wyniki w dziedzinie zunifikowanej teorii. Ale zanim zaczniesz biegać, musisz iść.

Teraz, gdy słuchamy fal grawitacyjnych, czego potrzebują naukowcy, aby dosłownie zdmuchnąć cegłę? 1) Nienaturalne wzory/struktury? 2) Źródła fal grawitacyjnych z regionów, które uznaliśmy za puste? 3) Rick Astley - Nigdy się nie poddam?

Gdy przeczytałem Twoje pytanie, od razu przypomniałem sobie scenę z „Kontaktu”, w której radioteleskop wyłapuje wzory liczby pierwsze... Jest mało prawdopodobne, aby można to było znaleźć w naturze (o ile nam wiadomo). Więc najprawdopodobniej twoja opcja z nienaturalnym wzorem lub strukturą byłaby najbardziej prawdopodobna.

Nie sądzę, abyśmy kiedykolwiek byli pewni pustki w określonym regionie przestrzeni. W końcu system czarnych dziur, który znaleźliśmy, był odizolowany i z tego regionu nie dochodziło żadne światło, ale nadal znaleźliśmy tam fale grawitacyjne.

Muzycznie… specjalizuję się w oddzielaniu sygnałów fal grawitacyjnych od szumu statycznego, który stale mierzymy na tle. środowisko... Gdybym znalazł muzykę w fali grawitacyjnej, zwłaszcza tę, którą słyszałem wcześniej, byłby to żart. Ale muzyka, której nigdy na Ziemi nie słyszano… Byłoby tak, jak w prostych przypadkach z „Kontaktu”.

Skoro eksperyment rejestruje fale poprzez zmianę odległości między dwoma obiektami, czy amplituda jednego kierunku jest większa niż drugiego? W przeciwnym razie, czy odczytywane dane oznaczają, że wszechświat zmienia się pod względem wielkości? A jeśli tak, czy to rozszerzenie, czy coś nieoczekiwanego?

Zanim odpowiemy na to pytanie, musimy zobaczyć wiele fal grawitacyjnych pochodzących z wielu różnych kierunków we wszechświecie. W astronomii tworzy to model populacji. Ile jest różnych rodzajów rzeczy? To jest główne pytanie. Kiedy już mamy dużo obserwacji i zaczniemy dostrzegać nieoczekiwane prawidłowości, na przykład, że fale grawitacyjne określonego typu pochodzą z pewnej części wszechświata i nigdzie indziej, będzie to niezwykle interesujący wynik. Niektóre wzorce mogą potwierdzać ekspansję (czego jesteśmy bardzo pewni) lub inne zjawiska, o których jeszcze nie wiedzieliśmy. Ale najpierw trzeba zobaczyć o wiele więcej fal grawitacyjnych.

Jest dla mnie całkowicie niezrozumiałe, w jaki sposób naukowcy ustalili, że zmierzone przez nich fale należą do dwóch supermasywnych czarnych dziur. Jak z taką precyzją zidentyfikować źródło fal?

Techniki analizy danych wykorzystują katalog przewidywanych sygnałów fal grawitacyjnych do porównania z naszymi danymi. Jeśli istnieje silna korelacja z jedną z tych prognoz lub wzorców, to nie tylko wiemy, że jest to fala grawitacyjna, ale wiemy również, który system ją utworzył.

Każdy sposób tworzenia fali grawitacyjnej, czy to zlewanie się czarnych dziur, rotacja czy śmierć gwiazd, wszystkie fale mają inny kształt. Kiedy wykrywamy falę grawitacyjną, używamy tych kształtów zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności, aby określić ich przyczynę.

Skąd wiemy, że te fale pochodzą ze zderzenia dwóch czarnych dziur, a nie z jakiegoś innego zdarzenia? Czy można z jakąkolwiek dokładnością przewidzieć, gdzie i kiedy takie zdarzenie miało miejsce?

Gdy już wiemy, który układ wytworzył falę grawitacyjną, możemy przewidzieć, jak silna była fala grawitacyjna w pobliżu miejsca jej narodzin. Mierząc jego siłę, gdy dociera do Ziemi i porównując nasze pomiary z przewidywaną siłą źródła, możemy obliczyć, jak daleko znajduje się źródło. Ponieważ fale grawitacyjne poruszają się z prędkością światła, możemy również obliczyć, ile czasu zajęło falom grawitacyjnym dotarcie do Ziemi.

W przypadku odkrytego przez nas układu czarnej dziury zmierzyliśmy maksymalną zmianę długości ramion LIGO o 1/1000 średnicy protonu. Ten system znajduje się 1,3 miliarda lat świetlnych od nas. Odkryta we wrześniu i ogłoszona wczoraj fala grawitacyjna zbliża się do nas od 1,3 miliarda lat. Stało się to zanim na Ziemi powstało życie zwierzęce, ale po pojawieniu się organizmów wielokomórkowych.

W momencie ogłoszenia ogłoszono, że inne detektory będą szukać fal o dłuższych okresach – niektóre z nich będą kosmiczne. Co możesz nam powiedzieć o tych dużych detektorach?

Rzeczywiście opracowywany jest detektor kosmiczny. Nazywa się LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Ponieważ będzie w kosmosie, będzie dość czuły na fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości, w przeciwieństwie do ziemskich detektorów, ze względu na naturalne wibracje Ziemi. Będzie to trudne, ponieważ satelity będą musiały znajdować się dalej od Ziemi niż kiedykolwiek wcześniej ludzie. Jeśli coś pójdzie nie tak, nie będziemy mogli wysłać astronautów do naprawy, tak jak robiliśmy to w przypadku Hubble'a w latach 90. Aby przetestować potrzebną technologię, w grudniu uruchomiono misję LISA Pathfinder. Do tej pory poradziła sobie ze wszystkimi postawionymi zadaniami, ale misja jest daleka od ukończenia.

Czy fale grawitacyjne można zamienić na fale dźwiękowe? A jeśli tak, to jak będą wyglądać?

Mogą. Oczywiście nie tylko usłyszysz falę grawitacyjną. Ale jeśli weźmiesz sygnał i przekażesz go przez głośniki, możesz go usłyszeć.

Co robimy z tymi informacjami? Czy inne obiekty astronomiczne o znacznej masie emitują te fale? Czy fale można wykorzystać do znalezienia planet lub prostych czarnych dziur?

Szukając wartości grawitacyjnych, liczy się nie tylko masa. Również przyspieszenie, które jest nieodłączne od obiektu. Odkryte przez nas czarne dziury wirowały wokół siebie z prędkością 60% światła, kiedy się łączyły. Dlatego mogliśmy je wykryć podczas łączenia. Ale teraz nie odbierają już fal grawitacyjnych, ponieważ połączyły się w jedną nieaktywną masę.

Zatem wszystko, co ma dużą masę i porusza się bardzo szybko, tworzy fale grawitacyjne, które można złapać.

Jest mało prawdopodobne, aby egzoplanety miały wystarczającą masę lub przyspieszenie, aby wytworzyły wykrywalne fale grawitacyjne. (Nie mówię, że w ogóle ich nie tworzą, tylko że nie będą wystarczająco silne lub z inną częstotliwością). Nawet jeśli egzoplaneta jest wystarczająco masywna, aby wygenerować niezbędne fale, przyspieszenie ją rozerwie. Nie zapominaj, że najbardziej masywne planety to zazwyczaj gazowe olbrzymy.

Jak prawdziwa jest analogia fal wodnych? Czy możemy jeździć na tych falach? Czy istnieją „szczyty” grawitacyjne, takie jak znane już „studnie”?

Ponieważ fale grawitacyjne mogą poruszać się przez materię, nie ma możliwości poruszania się po nich ani używania ich do poruszania się. Więc nie ma surfowania na fali grawitacyjnej.

Szczyty i studnie są cudowne. Grawitacja zawsze się przyciąga, ponieważ nie ma ujemnej masy. Nie wiemy dlaczego, ale nigdy nie zaobserwowano tego w laboratorium ani we wszechświecie. Dlatego grawitacja jest zwykle przedstawiana jako „studnia”. Masa, która porusza się wzdłuż tej „studni” zrzuci się do wewnątrz; tak działa przyciąganie. Jeśli masz masę ujemną, dostaniesz odpychanie, a wraz z nim „szczyt”. Masa, która porusza się na „szczycie”, odwróci się od niego. Tak więc „studnie” istnieją, ale „szczyty” nie.

Analogia z wodą jest dobra, o ile mówimy o tym, że siła fali maleje wraz z odległością przebytą od źródła. Fala wodna będzie coraz mniejsza, a fala grawitacyjna będzie coraz słabsza.

Jak to odkrycie wpłynie na nasz opis okresu inflacyjnego Wielkiego Wybuchu?

W tej chwili odkrycie to ma niewielki lub żaden wpływ na inflację. Aby wypowiadać takie stwierdzenia, musisz obserwować reliktowe fale grawitacyjne Wielkiego Wybuchu. Projekt BICEP2 uważał, że pośrednio obserwował te fale grawitacyjne, ale okazało się, że winę ponosi kosmiczny pył. Jeśli zdobędzie potrzebne dane, potwierdzi to również istnienie krótkiego okresu inflacji tuż po Wielkim Wybuchu.

LIGO będzie w stanie zobaczyć te fale grawitacyjne bezpośrednio (będzie to również najsłabszy rodzaj fal grawitacyjnych, jaki mamy nadzieję wykryć). Jeśli je zobaczymy, będziemy mogli zajrzeć głęboko w przeszłość Wszechświata, tak jak wcześniej nie patrzyliśmy, i ocenić inflację na podstawie otrzymanych danych.

Czym są fale grawitacyjne?

Fale grawitacyjne - zmiany w polu grawitacyjnym, które rozchodzą się jak fale. Są emitowane przez poruszające się masy, ale po napromieniowaniu odrywają się od nich i istnieją niezależnie od tych mas. Matematycznie związane z perturbacją metryk czasoprzestrzeni i można je opisać jako „fale czasoprzestrzeni”.

W ogólnej teorii względności i większości innych współczesne teorie fale grawitacyjne są generowane przez ruch masywnych ciał o zmiennym przyspieszeniu. Fale grawitacyjne rozchodzą się swobodnie w przestrzeni z prędkością światła. Ze względu na względną słabość sił grawitacyjnych (w porównaniu z innymi) fale te mają bardzo małą wielkość, co jest trudne do zarejestrowania.

Fale grawitacyjne są przewidywane przez ogólną teorię względności (GR). Zostały one po raz pierwszy wykryte bezpośrednio we wrześniu 2015 r. przez dwa bliźniacze detektory LIGO, które zarejestrowały fale grawitacyjne, prawdopodobnie z połączenia dwóch czarnych dziur i powstania jeszcze jednej masywnej rotującej czarna dziura... Pośrednie dowody na ich istnienie są znane od lat 70. - ogólna teoria względności przewiduje szybkości zbieżności układów bliskich pokrywające się z obserwacjami podwójne gwiazdy z powodu utraty energii na promieniowanie fal grawitacyjnych. Bezpośrednia rejestracja fal grawitacyjnych i ich wykorzystanie do wyznaczania parametrów procesów astrofizycznych jest ważnym zadaniem współczesnej fizyki i astronomii.

Jeśli wyobrazimy sobie naszą czasoprzestrzeń jako siatkę współrzędnych, to fale grawitacyjne są zakłóceniami, zmarszczkami, które będą przebiegać wzdłuż siatki, gdy masywne ciała (na przykład czarne dziury) zniekształcają przestrzeń wokół nich.

Można to porównać do trzęsienia ziemi. Wyobraź sobie, że mieszkasz w mieście. Ma jakieś znaczniki, które tworzą przestrzeń miejską: domy, drzewa i tak dalej. Są nieruchome. Kiedy dzieje się gdzieś w pobliżu miasta poważne trzęsienie ziemi, dochodzą do nas wibracje - zaczynają wibrować nawet nieruchome domy i drzewa. Te wibracje to fale grawitacyjne; a obiekty, które wibrują, to przestrzeń i czas.

Dlaczego naukowcy tak długo nie byli w stanie zarejestrować fal grawitacyjnych?

Konkretne próby wykrycia fal grawitacyjnych rozpoczęto w okresie powojennym od kilku naiwnych urządzeń, których czułość oczywiście nie była wystarczająca do wykrycia takich wahań. Z biegiem czasu stało się jasne, że wykrywacze do poszukiwań muszą mieć bardzo dużą skalę – i muszą wykorzystywać nowoczesną technologię laserową. To właśnie wraz z rozwojem nowoczesnych technologii laserowych możliwe stało się sterowanie geometrią, której perturbacjami jest fala grawitacyjna. Kluczową rolę w tym odkryciu odegrały potężne postępy technologiczne. Bez względu na to, jak genialni byli naukowcy, 30-40 lat temu było to technicznie niemożliwe.

Dlaczego wykrywanie fal jest tak ważne dla fizyki?

Fale grawitacyjne zostały przewidziane przez Alberta Einsteina w ogólnej teorii względności około sto lat temu. Przez cały XX wiek istnieli fizycy, którzy kwestionowali tę teorię, choć pojawiało się coraz więcej potwierdzeń. A obecność fal grawitacyjnych jest krytycznym potwierdzeniem tej teorii.

Ponadto przed zarejestrowaniem fal grawitacyjnych wiedzieliśmy, jak zachowuje się grawitacja tylko na przykładzie mechaniki nieba, interakcji ciała niebieskie... Było jednak jasne, że pole grawitacyjne ma fale, a czasoprzestrzeń może się deformować w podobny sposób. Fakt, że wcześniej nie widzieliśmy fal grawitacyjnych, był ślepym punktem we współczesnej fizyce. Teraz ta biała plama została zamknięta, kolejna cegła została położona pod fundamenty współczesnej teorii fizycznej. To jest fundamentalne odkrycie. Nic porównywalnego dla ostatnie lata nie miał.

"Czekam na fale i cząstki" - film dokumentalny o poszukiwaniu fal grawitacyjnych(autorstwa Dmitrija Zavilgelskiego)

Istnieje również praktyczny punkt w rejestracji fal grawitacyjnych. Prawdopodobnie po dalszy rozwój technologii będzie można mówić o astronomii grawitacyjnej - o tym, jak obserwować ślady najbardziej wysokoenergetycznych zdarzeń we Wszechświecie. Ale teraz jest za wcześnie, aby o tym mówić, mówimy tylko o samym fakcie rejestracji fal, a nie o wyjaśnianiu właściwości obiektów, które te fale generują.