Гравитационные волны. Инструкция по применению
Думаю, все уже в курсе, что пару дней назад учёные впервые объявили об обнаружении гравитационных волн. Про это было много новостей, на пикабу, по ТВ, на новостных сайтах и вообще везде. Однако при этом никто не затруднился объяснить читателю, что такое эти гравитационные волны и откуда они берутся. Сейчас я попробую восполнить этот пробел
Сама идея о существовании гравитационных волн напрямую следует из Общей теории относительности, которую вывел один известный учёный чуть ли не сто лет назад. По правде говоря, общая теории относительности сама по себе заслуживает цикла постов (примерно такого же, как о специальной теории относительности: 1 2 3). Но нам, для общего понимания, достаточно знать основы: гравитация в ОТО это не сила, а изменение геометрии пространства.
К примеру, когда мы кидаем камень, он падает на Землю. Однако ОТО утверждает, что на самом деле камень летит строго по прямой, которая находится в пространстве, искривлённом массой Земли. Если эту идею взять и перевести в матан, то можно увидеть нечто подобное:
Собственно, поэтому вы вряд ли найдёте в интернете статью исчерпывающую и доступную статью об ОТО - для человека без спецобразования там слишком сложный матан. Но мы сделаем вид, что нам всё это не нужно и продолжим.
Итак, определённые математические преобразования в ОТО приводят к уравнению волны, которая растягивает и сжимает само пространство. Если расположить на пути такой волны (и перпендикулярно её направлению) тела в форме круга, то его начнёт, образно выражаясь, колбасить:
Для тех, у кого аллергия на геометрию, есть более наглядная картинка:
Из этого принципа уже можно понять, как эти самые волны ловить - надо стоять с линейкой и измерять расстояние между телами (по причинам, указанным в следующем абзаце, длина самой линейки меняться не будет). Если расстояние ни с того ни с сего изменилось - значит эгегей, волна поймана!
Но есть одна проблема. Очень большая проблема. Огромная проблема. Если оценивать масштабы проблемы, то всплывает следующее число:
10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 - то есть десять в 40-й степени. Именно настолько гравитационное взаимодействие слабее самого обычно электромагнитного. То есть два электрона, помещённые рядом, будут притягиваться друг к другу собственной гравитацией в 10^40 раз слабее, чем отталкиваться своими же электромагнитными силами.
Образно говоря, с помощью малюсенького магнита мы сможем прикрепить к холодильнику бумажку, которую тянет вниз целая планета. Поэтому ловля гравитационных волн превратилась в целый квест для учёных. А чтобы понять суть квеста, надо сначала разобраться, как искомые волны образуются.
Если взять электромагнитные волны (к слову, видимый свет, радиоволны, рентгеновское излучение - это всё электромагнитная волна с различными частотами), то они возникают в результате ускоренного движения зарядов. Всё просто: ускоряем электрон - он начинает излучать кванты электромагнитного поля, т.е. фотоны.
С гравитацией абсолютно такая же ситуация - любое ускоренное движение массы порождает гравитационную волну. Между прочим, это означает, что двигая мышкой каждый из вас генерит гравитационные волны. Их силу вы сможете оценить на глазок, если будете знать мощность волн, которые вырабатываются в самой мощной паре солнечной системы "Юпитер-Солнце" - и это 5 кВт, что примерно равняется мощности двух бытовых чайников.
Поэтому обнаружения волн нам понадобятся объекты помассивнее и покомпактнее - типа пары сталкивающихся чёрных дыр.
В результате слияния из двух возникнет одна чёрная дыра, причём согласно ОТО её масса будет меньше, чем сумма масс исходных чёрных дыр. И вся эта разница, которая будет сопоставима с массой целых звёзд, разнесётся по вселенной в виде гравитационных волн.
Несмотря на их мощность, из-за огромных расстояний до Земли волны будут долетать сильно ослабленными. Поэтому учёным пришлось придумать механизм, в котором лазерный луч многократно отражается от особым образом подвешенных зеркал внутри двух изолированных вакуумных труб длиной 4 км каждая.
За счёт этой самой многократности отражения мы сможем увидеть изменение расстояния между зеркалами на длину меньше атома. Причём таких детектора два - и 14 сентября 2015 года в 5:51 утра они поймали сигнал:
По выкладкам учёных, именно такую картину мы должны были увидеть в результате слияния двух чёрных дыр с массой около 30 наших солнц, выплеснувших энергию эквивалентную массе 3 солнц. Представьте, что наше солнце вдруг аннигилировало и умножьте на три - вся эта энергия превратилась в гравитационные волны, чтобы, пролетев 1,3 млрд световых лет, пройти через наши детекторы.
А теперь о последствиях. Несмотря на комментарии типа "теперь мы забацаем гравицапу как в халве" ничего подобного даже близко не предвидится. Чего следует ждать, так это развития системы обнаружения гравитационных волн. Самый перспективный проект называется LISA и подразумевает вывод на орбиту солнца трёх спутников с расстоянием 5 000 000 км между ними (сравните с 4 км в существующих детекторах).
Вот что думают на этот счёт сами учёные:
Подумайте о новых возможностях в таком ключе: каждый раз, когда астрономы смотрели на нашу Вселенную в свете определенной длины волны — рентгеновском, инфракрасном, радио, гамма — они открывали аспекты, которых раньше не видели. Гравитационные волны будут такими же, только будут больше похожи на звук, чем на свет. Теперь мы будем не только смотреть на Вселенную, но и слушать ее. Мы всю жизнь были глухими, но теперь нам вернули слух.
А что мы можем услышать - тема для отдельного поста...
