Относительно теории - все относительно (1916-2016)
![Относительно теории - все относительно (1916-2016) Теория относительности, Альберт Эйнштейн, Наука, Физика, Гифка](https://cs8.pikabu.ru/post_img/2016/05/12/5/146303923119371628.jpg)
100 лет с момента опубликования общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна.
100 лет с момента опубликования общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна.
Как это ни странно, но время можно остановить! Правда не так, как это обычно показано в фильмах.
В физике есть очень интересная теория, разработанная Альбертом Эйнштейном — специальная теория относительности или СТО. В этой теории ключевую роль играет скорость света (скорость распространения света). Она равна примерно одному миллиарду километров в час. Это в 200 миллионов раз больше скорости пешехода.
Оказывается, если скорость какого-нибудь предмета приближается к этой самой скорости света, то время для этого предмета замедляется. А если скорость предмета в точности равна скорости света (и это теоретический максимум для скоростей в нашем мире), то время для предмета и вовсе останавливается!
Представим мысленный эксперимент. Допустим у нас есть ракета. Посадим туда космонавта, запустим в космос со скоростью близкой к скорости света и будем наблюдать за ним с Земли. Для космонавта все будет совершенно обычно. Нам же с Земли будет казаться, что мы смотрим фильм с замедленной съемкой. Все что будет происходить в ракете, включая жизнь космонавта, будет неестественно медленно. Но космонавт, который находится внутри ракеты ничего не заметит, так как сам является частью этого “замедленного фильма”. Если скорость ракеты станет равной скорости света, нам с Земли покажется, что время для ракеты остановилось вовсе. Картинка замрет, как будто фильм поставили на паузу.
Если космонавт будет путешествовать в таком режиме долго, а потом вернется на Землю, то он обнаружит, что постарел меньше чем остальные. Но! Он не выиграл для себя ни минуты дополнительной жизни. Допустим, он летал 10 лет по земным часам. Для него время текло медленнее, допустим, по его часам прошло только 9 лет. Он постарел на 9 лет, а мы на 10. Но он и прожил на год меньше, т. е. всего 9 лет. А мы жили целых 10. Фактически он просто перенес год жизни, но не сэкономил.
К сожалению, такой эксперимент нельзя провести из-за технических и биологических ограничений. Однако он осуществим для элементарных частиц. И в этих экспериментах действительно фиксируется замедление времени, согласно предсказаниям СТО.
Анна Синельникова, физик-теоретик, сотрудник физфака МГУ
источник - http://weekend.rambler.ru/read/2016/04/28/pochiemu-vriemia-i...
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...
Физики из международной коллаборации LIGO окончательно подтвердили то, что им удалось в прошлом году найти первые в истории человечества следы гравитационных волн при помощи одноименного детектора-интерферометра, которые, как считают ученые, были порождены в ходе слияния черных дыр.
Гравитационные волны — прямое следствие уравнений общей теории относительности, предложенных Альбертом Эйнштейном в 1915 году, но до сих пор ученым не удавалось обнаружить свидетельства их существования.
Дальнейшие наблюдения за гравитационными волнами, как надеются физики, помогут разрешить многие тайны и проблемы современной физики и космологии, в том числе измерить, с какой скоростью расширяется Вселенная, следя за слияниями нейтронных звезд, а также попытаться проверить теорию струн на практике.
Кстати можно порадоваться этому грандиозному событию в двойне, большой вклад в это научное открытие внесли отечественные ученые, в рамках LIGO они работали над повышением чувствительности интерферометров, подавляя различные помехи, в том числе и квантовый шум, мешающий вести замеры на самом фундаментальном уровне. В состав научной группы, включенной в число соавторов научного открытия, входят профессора кафедры физики колебаний: Валерий Митрофанов, Игорь Биленко, Сергей Вятчанин, Михаил Городецкий, Фарид Халили, Сергей Стрыгин и Леонид Прохоров. Неоценимый вклад в исследования внесли студенты, аспиранты и технический персонал кафедры.
Группа Московского университета участвует в проекте с 1992 года. С самого начала основные усилия были направлены на повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, определение фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений чувствительности, на разработку новых методов измерений. Теоретические и экспериментальные исследования российских ученых нашли свое воплощение при создании детекторов нового поколения, позволивших непосредственно наблюдать гравитационные волны от слияния двух черных дыр.
Московскую группу создал и вплоть до последнего времени возглавлял член-корреспондент РАН Владимир Борисович Брагинский — всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире.
Одна вакансия, два кандидата. Сможете выбрать лучшего? И так пять раз.