Коротко про загальної теорії відносності
На гравітаційному полі вже сто років править загальна теорія відносності (ЗТВ), запропонована і розроблена Альбертом Ейнштейном на початку XX століття. Простір і час в ОТО викривляються поблизу масивних тіл, що і визначає траєкторії руху.
Уявіть собі натягнутий шматок тканини: це буде наша модель простору. Якщо на полотно нічого не діє, воно буде плоским, а найкоротша відстань між двома точками буде звичайною прямою лінією.
Тепер покладемо в центр тканини важкий кульку. Під його дією тканина прогнеться: саме так і поводиться простір в ЗТВ. Тіла також більше не будуть рухатися по прямій, траєкторії стають вигнутими лініями, форму яких визначає сам простір.
Польотний парадокс
Вище описане, хоч і здається злегка божевільним, насправді добре знайоме багатьом, і приклад – наша рідна планета Земля. На малюнку показані два шляху від Москви до Нью-Йорка: проведений по прямій (чорна лінія) і у вигляді дуги (червона лінія).
Як ви думаєте, який варіант коротше: чорний або червоний? Можливо, відповідь вас здивує: коротше виявляється червона лінія. Цей ефект пов’язаний з тим, що поверхня Землі куляста, викривлена, як і наш простір. Прямий шлях по Землі на карті буде виглядати кривий, і навпаки, а проведена по лінійці пряма виявляється довшим.
Що вміє ВІД
Стаття по темі
Від лампочок до кубитам: навіщо нам потрібні квантові комп’ютери
Основне завдання ВІД полягає в тому, щоб визначати форму кривизни простору при будь-якій заданій конфігурації масивних тел. Викривлення простору і часу приводить до деяких цікавих ефектів: відхилення пучків світла від руху по прямій, уповільнення часу поблизу важких тіл, зміщення орбіт планет. Всі ці ефекти виявлені, підтверджені і збігаються з КОЖНИМ на даний момент з високим ступенем точності.
Як пустити хвилю
Для фізиків хвиля – рух речовини, яка володіє властивістю повторюваності. Наприклад, будь-яка точка струни, що коливається через певний період часу попадає в те ж положення, з якого вона “стартувала”. Математично це означає, що рух вагається тел завжди описуються рівняннями певного типу – вони так і називаються – хвильовими.
Коли Альберт Ейнштейн вирішив описати в 1916 році, що відбувається з простором і часом при переміщеннях в ньому масивних тіл, виявилося, що деякі з отриманих рівнянь мають вигляд хвильових, а значить і вони описують хвилі. Тільки поширюються вони не в повітрі, воді або в струні, а в самому просторі. Ідеологічно така поведінка нічим не заборонено: так вперше було передбачено існування гравітаційних хвиль. Точно так само, як і з поняттям “хвилі на воді” ми пов’язуємо дрібні брижі, що поширюється по поверхні океану, назва “гравітаційної хвилі” ми відносимо до дрібних брижах, яка поширюється по простору і часу.
Домашній детектор гравітаційних хвиль
Після появи поняття гравітаційних хвиль вчені стали пропонувати способи виявити їх експериментально. З-за хвилеподібного викривлення форми простору-часу відстань між двома будь-якими фіксованими точками буде періодично змінюватися: цей ефект ми покладемо в основу нашого “домашнього” детектора гравітаційних хвиль.
Нам знадобляться: стрижень і дві бусинки, розташованих на однаковій відстані від її центру, а самого стрижня дозволимо хребту знаходитися у вільному падінні у вакуумі. Проходить гравітаційна хвиля буде штовхати намистинки взад-вперед, стрижень з-за тертя нагріється, і ми зможемо виміряти зміна його температури.
100 років на відкриття
Якщо все так просто, чому на відкриття гравітаційних хвиль фізикам знадобилося майже сто років? Основна складність в тому, що ефекти поширення гравітаційних хвиль дуже малі, і навіть найсучасніші термометри не зможуть відрізнити, нагрівся наш стрижень внаслідок викривлення простору або через добового зміни температур.
Щоб знайти спосіб детектування гравітаційних хвиль, ученим довелося звернутися до джерел космічного масштабу: астрофизическим, таким як коллапсирующие зірки, чорні діри, пульсари і наднові, а також системи подвійних зірок. Сонячна система при цьому стає зручним полігоном: Сонце відноситься до відносно легким зіркам, і не сильно спотворює простір-час навколо себе. Тому що приходять гравітаційні хвилі практично не згасають і не змінюють свою форму.
Нобелівська премія з фізики 1993 року
Про це вже мало хто пам’ятає, але непрямий доказ існування гравітаційних хвиль було отримано на двадцять років раніше дійсного відкриття. Астрономи Джо Тейлор і Рассел Халсе виявили і спостерігали протягом 15 років подвійний радиопульсар PSR 1913+16 в обсерваторії Аресібо, розташованої в Пуерто-Ріко.
Відповідно до загальної теорії відносності, два тіла, що обертаються по орбіті, повинні випромінювати гравітаційні хвилі, які забирають енергію, з-за чого орбіта повинна постійно стискатися. Результати експерименту дозволили розрахувати зменшення орбіти системи PSR 1913+16, і теоретичні очікування були підтверджені з великою точністю.
Експеримент LIGO
Однак справжня “ера” гравітаційних хвиль почалася з запуском експерименту LIGO в 2002 році. Абревіатура “LIGO” розшифровується як Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – лазерно-интерферометрическая гравітаційно-хвильова обсерваторія.
Стаття по темі
Інформація — вірус. Як поширюються знання
Принцип дії експерименту такий: потужний лазер випускає пучок світла, який потім розділяється на два, що йдуть під прямим кутом. Кожен з пучків проходить шлях в чотири кілометри по так званому “плеча”, відбивається від дзеркала і повертається назад. Повернулися пучки складаються, а вчені з допомогою законів оптики можуть розповісти, однакову час знадобилося їм для проходження відстані туди-назад. Оскільки світло поширюється з постійною швидкістю, в звичайному випадку промені дійсно повертаються у вихідну точку одночасно.
Гравітаційна хвиля, що проходить через Землю, змінить час проходження по плечу – але тільки для одного з пучків. Фізикам вдалося використати важлива властивість коливань простору-часу: вони відносяться до такого типу хвиль, які не зможуть діяти на обидва пучка одночасно; використовується надточне обладнання дозволяє детектувати найменші зміни витраченого часу на пересування.
І все-таки вони існують!
Дата 14 вересня 2015 року вже ввійшла в підручники по гравітації і астрономії: в цей день вперше вдалося зареєструвати сигнал від гравітаційних хвиль, испущенных злиття двох чорних дір.
Стаття по темі
Котики і частинки. Як пояснити Стандартну модель на милих гіфці
Це відкриття поклало початок новому напрямку в астрономії: спостереження об’єктів за испущенным ними гравітаційних хвиль, для чого в майбутньому, безсумнівно, буде розроблений абсолютно новий вид телескопів. На даний момент мережа LIGO планується розширити і створити мережу подібних обсерваторій по всій планеті, а також запустити космічний експеримент, який би дозволив істотно поліпшити точність результатів. В першу чергу це необхідно для теоретичної фізики: з допомогою сигналів гравітаційних хвиль вчені ведуть пошук нових теорій гравітації і теорії Великого об’єднання.