Гравитационные волны — что это?

Гравитационные волны − одно из важнейших предсказаний общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которую великий ученый опубликовал в 1915 году. В ней предлагалось новое понимание гравитации, при котором важную роль играет «пространство-время».

Общая теория относительности

Альберт Эйнштейн скомбинировал вместе понятия трехмерного пространства и времени и представил их в виде единой структуры с четырьмя измерениями. В его представлении речь шла не о «пустоте», а скорее о своего рода ткани, имеющей определенные геометрические свойства.

Такая ткань деформируется под влиянием присутствующих в ней тел. Эйнштейн описывал силу притяжения как результат деформации пространства-времени со стороны объектов, обладающих массой, как, к примеру, наша Земля, Солнце, да и мы сами.

Альберт Эйнштейн
©wallpapername.com

 Пространство-время можно себе представить как простыню, натянутую с четырех сторон. Если положить в ее середину тяжелый предмет, простыня прогнется. В результате даже воздушные шарики, которые почти не влияют на силу натяжения ткани, будут скатываться по простыне вниз, к тяжелому предмету. Это и будет аналогией силы гравитационного притяжения.

В отличие от ньютоновской теории всемирного тяготения, согласно которой гравитационные эффекты распространялись мгновенно, в ОТО гравитационное воздействие имеет конечную скорость, равную скорости света в вакууме − примерно 300 000 км/с.

Например, если масса Солнца внезапно увеличится на 10%, все объекты во Вселенной, по Ньютону, немедленно испытают на себе увеличение силы его притяжения. А вот Эйнштейн утверждал, что необходимо определенное количество времени, чтобы удаленные объекты «почувствовали» изменение гравитации. В случае Земли, на это понадобится приблизительно 8 минут.

С момента своей публикации, общая теория относительности стала для физиков основой понимания гравитации. ОТО помогла объяснить некоторые эффекты, которые, по ньютоновской теории, не должны были существовать.

Так, например, теория Эйнштейна полностью подтвердила наблюдения аномальной прецессии перигелия Меркурия.

Гравитационные волны

Из представления о том, что само присутствие материи деформирует окружающее пространство, Эйнштейн сделал вывод, что любые крупные изменения массивных тел в космосе «встряхивают» окружающее пространство подобно сейсмическим волнам во время землетрясений, порождая рябь, которая рано или поздно должна достигнуть Земли.

К таким событиям относятся столкновения гигантских объектов, например, звезд. Приближаясь по спиралевидным орбитам друг к другу, такие объекты теряют энергию в форме гравитационных волн, которые распространяются по окружающему пространству. Конечное столкновение объектов сопровождается гигантским выбросом гравитационной энергии.

Ученые считают, что проходя через определенный участок космоса, гравитационные волны растягивают пространство в одном направлении и одновременно сжимают его в перпендикулярном. Такой тип движения волн называется «квадрупольным излучением».

Проблема регистрации гравитационных волн

Несмотря на многочисленные подтверждения общей теории относительности, окончательным экспериментальным ее доказательством может послужить лишь регистрация гравитационных волн.

Однако задача эта очень непростая. Несмотря на постоянные столкновения гигантских объектов, так называемых «космотрясений», гравитационные волны от них, доходящие со скоростью света до Земли спустя миллионы и миллиарды лет, очень малы, и зарегистрировать их невероятно сложно.

Представьте себе камешек, упавший в середину Байкала. Волна, распространившаяся во все стороны от его всплеска, у берега озера будет почти незаметной.

Согласно общей теории относительности, гравитационная волна, достигшая Земли, способна растянуть и сжать крупный объект, например, Останкинскую башню, на одну тысячную диаметра протона.

Начало поиска

Охота за гравитационными волнами началась еще в 1950-х, когда Джозеф Вебер, физик из Мэрилендского университета, построил целый ряд сверхчувствительных детекторов.

 Джозеф Вебер
©Virginia Trimble

 Каждый из них представлял собой крупный алюминиевый брусок, подвешенный на тонких проволоках таким образом, чтобы изолировать от влияния наземных вибраций. По теории Вебера, проходя через алюминиевый стержень, гравитационная волна должна была заставить его колебаться.

Разумеется, такие вибрации были бы слишком ничтожны, но специальные кристаллы, связанные с брусками, должны были уловить даже малейшее сжатие алюминия и дать  электрический сигнал.

Вебер утверждал, что ему удалось таким образом зарегистрировать гравитационные волны, но другие исследователи, повторив опыт, не смогли воспроизвести его результатов. Несмотря на то, что попытка Джозефа Вебера считается неудачной, его по праву можно назвать пионером в области экспериментальных доказательств гравитационных волн.

Реликтовые гравитационные волны

Но интерес к гравитационным волнам вызван не только возможностью найти окончательное экспериментальное доказательство общей теории относительности Эйнштейна. Регистрация так называемых реликтовых гравитационных волн, которые распространяются в пространстве со времени Большого Взрыва, позволит заглянуть в момент рождения нашей Вселенной,

С этой целью огромный радиотелескоп BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), находящийся на Южном полюсе, уже в течение многих лет сканирует небо в поисках малейших изменений в космическом микроволновом (реликтовом) излучении, которое появилось спустя 380 000 лет после Большого Взрыва. Именно начиная с этого момента космос стал проницаем для световых фотонов, которые начали распространяться во все стороны.

Хотя реликтовое излучение уже давно и хорошо изучено, астрономы считают, что в нем может содержаться информация о реликтовых гравитационных волнах. Фотоны реликтового излучения рассеялись от изначальных атомов и других частиц, образовавшихся после Большого Взрыва, примерно как световые лучи доходят до Земли, рассеиваясь от атомов атмосферы, придавая дневному небу голубой оттенок.

Поэтому солнечный свет, падающий на нас, поляризирован − равно как поляризированы и фотоны реликтового излучения (до 5% по оценкам ученых).

Но какое отношение это имеет к гравитационным волнам?

Вспомним, что проходя через пространственную ткань, гравитационные волны сжимают ее в одном направлении и растягивают в перпендикулярном. Фотоны, рассеиваясь сквозь измененную материю, слегка поляризируются благодаря гравитационной волне, что должно оставить след в реликтовом излучении.

Инфляционная модель Вселенной

Обнаружение такой поляризации позволит не только показать существование реликтовых гравитационных волн, но и докажет инфляционную модель − экспоненциальное расширение Вселенной сразу после Большого Взрыва.

 Реликтовые гравитационные волны представят доказательства расширения материи непосредственно после Большого Взрыва
©mysearch.org

Хотя инфляционная модель, предложенная в 1981 году Аланом Гутом, хорошо объясняет все основные свойства наблюдаемой Вселенной, многие физики отказываются ее принимать, ссылаясь на альтернативные гипотезы.

Тем не менее, инфляция − единственная теория, которая предсказывает усиление гравитационных волн, вызванное квантовыми флуктуациями в гравитации. Именно благодаря этому усилению возможна регистрация следов гравитационных волн в микроволновом космическом излучении.

Источник: naked-science.ru

Метки , , . Закладка постоянная ссылка.

2 Responses to Гравитационные волны — что это?

  1. guryan говорит:

    Любые тела во вселенной, звезды, планеты, атомы, обладают своими гравитационными полями, которые хотя и имеют бесконечный радиус действия, но очень сильно ослабевают с расстоянием по обратно кубической зависимости.
    И в силу своего бесконечного радиуса действия, эти поля являются вездесущей упругой средой, в которой распространяются гравитационные волны. Это говорит о том, что никакого эфира, физического вакуума, сказочного пространства-времени или какого-то тридевятого царства в природе не существует. И так как гравитационное поле, как поле образован-ное электрическими полями, обладает упругостью, то любое тело, двигаясь в нем, будет создавать упругую волну сжатия, скорость которой постоянна, потому что определяется толь-ко упругими свойствами электрических полей, образующих это гравитационное поле.
    Длина этой волны будет определяться разностью скоростей самой частицы и возбуждаемой ею волны. Скорость распространения волны в гравитационном поле составляет примерно 300 000 километров в секунду. Правда учёные этого пока не понимают и ошибочно назы-вают её скоростью света. Скорость распространения волны в гравитационном поле, величина действительно почти по-стоянная, так как определяется только его упругими свой-ствами и напряжённостью.
    А так как материальные тела взаимодействуют только своими полями, то скорость волны в гравитационном поле — это и есть скорость взаимодействия.
    Сама же частица, как и любой объект, может двигаться в гравитационном поле с какой угодно скоростью, хоть миллион километров в секунду. Но так как материя может взаимодействовать только с помощью волн, то такая «сверх-световая» частица может легко проникать сквозь огромную толщу материи, почти без потери скорости.
    Например, чтобы проникнуть сквозь земной шар, частица должна иметь скорость, превышающую скорость волны («световую») всего лишь на 4 процента. Она не взаимодействует ни с электрическими ни с гравитационными полями и зарегистрировать её невозможно. Именно из невозможности регистрации «сверхсветовой» частицы и берет начало заблуждение, что ничто не может двигаться быстрее света. Если бы человек не имел органов зрения, то наверняка нашёлся бы умник, который бы объявил, что ничто не может двигаться быстрее звука.
    Двигаясь в специфической среде, которую представляет собой гравитационное поле, образованное электрическими полями противоположных знаков, частица возбуждает в них синхронные и синфазные продольные волны сжатия.
    Но в силу того, что электрические поля разных зарядов обладают противоположными свойствами, то в любой точке гравитационного поля, у волны в положительного электрическом поле, сжатие (горб), то в той же точке отрицательного поля, будет разрежение (впадина).
    Иначе говоря, волна в гравитационном поле – это по своей сути, две продольных волны в слившихся электрических полях, имеющих противоположные свойства. И в силу этого они регистрируются, как одна поперечная волна. Это и есть те самые гравитационные волны, которые в физике ошибочно называются электромагнитными.
    Да и любые другие волны, обычные звуковые или волны на поверхности воды, так же имеют гравитационную природу. И тогда возникает вполне закономерный вопрос, а какие же это гравитационные волны уже добрую сотню лет с помощью многотонных детекторов ищут учёные?
    Примечание! Физический вакуум, так же как и эфир, по представлению, придумавших его физиков, по-видимому, среда однородная, а возникновение поперечных волн в одно-родной среде невозможно. Но в гравитационном поле, образованном вложенными друг в друга электрическими полями, граница между ними существует, практически, в любой его точке.

  2. Дима говорит:

    Непонятно чтотгравитация это типа скатывание шарика вниз на углублении материи, но это ведь в земных условиях благодаря силе тяжести всеискатывается вниз, да и где низ и верх в пространстве?

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *