Оптимистичненько
Никакая другая книга, и возможно ни одна книга, не будет иметь лучший вводный параграф, чем "States of Matter" Гудстейна.
1.1 Введение: термодинамика и статистическая механика идеального газа.
Людвиг Больцман, который потратил большую часть своей жизни изучая статистическую механику, умер в 1906 году, покончив жизнь самоубийством, Пауль Эренфест, перенявший его работу, умер по той же причине в 1933. Сейчас же наступил наш черёд изучать статистическую механику.
Спросите Итана: почему гравитационные волны не ослабляются с расстоянием так, как гравитация?
Любой удалённый источник гравитации может испускать гравитационные волны и отправлять сигнал, деформирующий ткань пространства-времени, проявляющий себя как гравитационное притяжение
Одно из тех свойств окружающего мира, с которыми мы просто примиряемся, заключается в ослаблении физических эффектов при отдалении от их источника. Источники света кажутся тусклее, гравитация ослабляется, магниты действую слабее, и т.п. И наиболее часто этот эффект подчиняется закону обратных квадратов – то есть, при удвоении расстояния до источника эффекта он становится в четыре раза слабее. Однако для гравитационных волн это не так, что и удивляет читателя, спрашивающего меня:
Вы утверждали, что:
1) Сила гравитации изменяется по квадратичной зависимости от расстояния.
2) Сила гравитационных волн, обнаруженных LIGO, изменяется прямо пропорционально расстоянию.
Как это сочетается друг с другом?
Это удивляет практически всех людей, впервые сталкивающихся с этим, даже некоторых профессиональных физиков. Но это так! И вот, почему.
Закон всемирной гравитации Ньютона (слева) и закон Кулона для электростатики (справо) почти идентичны. И оба следуют закону обратных квадратов.
Находясь рядом с любой массой Вселенной, мы обычно представляем себе, что она действует на нас гравитационной силой. Вы, конечно, тоже действуете на неё с такой же по величине и противоположной по направлению силой, однако нас больше интересует величина этой силы. По Ньютону, эта сила меняется, как 1/r^2 – ослабляясь с удалением от источника.
Увеличьте расстояние в два раза, и от силы останется только четверть; увеличьте расстояние в 10 раз, и от неё останется только 1%. Мы зовём это законом обратных квадратов – сила уменьшается, как квадрат расстояния. И на больших расстояниях, даже при переходе от Ньютоновского тяготения к Эйнштейновской общей теории относительности, это остаётся верным.
Искривление пространства-времени гравитационными массами в рамках мировоззрения общей теории относительности. На удалении от массы сила изменяется на величину 1/r^2.
Так работает большинство взаимодействий, распространяющихся на большие расстояния. Так работает гравитация. Так работает электрическая сила. И ещё одно явление, с которым вы можете быть знакомы: свет. Любой источник света по Вселенной имеет присущую ему светимость: внутреннюю яркость. Однако то, что мы видим в качестве яркости объекта – и называем видимой яркостью – зависит от расстояния до источника света.
Как зависит яркость от расстояния? Так, как вы могли подозревать: как 1/r^2. Источник испускает фиксированное количество фотонов, квантов света, и количество перехваченных вами фотонов определяет воспринимаемую вами яркость. И хотя наши органы чувств ощущают яркость логарифмически, а не по такому закону, физический показатель яркости ведёт себя именно так.
Взаимосвязь яркости с расстоянием и убывание светимости по закону обратных квадратов
Можно ожидать, что гравитационные волны будут вести себя точно так же. Когда две массы вращаются вокруг друг друга, сближаясь по спирали, сливаясь или как-то ещё двигаясь в изменяющемся гравитационном поле, рождается гравитационное излучение (или гравитационные волны). Эти волны, как и свет, распространяются наружу, покрывая всё пространство, как и следовало ожидать от любой формы излучения.
Гравитационные волны переносят определённое количество энергии, фиксированное при их перемещении. Если вы находитесь на определённом расстоянии, вы испытаете определённую величину воздействия гравитационной волны.
Когда две массы вращаются вокруг друг друга, сближаясь по спирали, сливаясь или как-то ещё двигаясь в изменяющемся гравитационном поле, рождаются гравитационные волны
Но вот, в чём загадка: зависимость этого сигнала от расстояния вовсе не будет равной 1/r^2. Он будет просто обратно пропорционален расстоянию: 1/r. Если вы отдалитесь от источника волн на удвоенное расстояние, сигнал будет слабее в два раза, а не в четыре. Если вы отодвинетесь на расстояние в 10 раз больше, сигнал составит 10% от начального, а не 1%.
Преимущества этого видны сразу: сигнал, подчиняющийся обратному закону, остаётся гораздо сильнее сигнала, подчиняющегося закону обратных квадратов. Это даёт нам надежду на обнаружение сверхдальних гравитационных волн, а если мы построим в 100 раз более чувствительный детектор, мы сможем заглянуть в 100 раз дальше, в отличие от случая со светом, когда в 100 раз более чувствительный детектор позволяет нам заглядывать всего в 10 раз дальше.
Дальность возможностей Advanced LIGO и его способности обнаруживать слияние чёрных дыр. Слияние нейтронных звёзд можно обнаружить на расстоянии в десять раз меньше, и его объём составляет всего 0,1%, однако это событие должно случаться чаще слияния чёрных дыр. Увеличение чувствительности детектора в 10 раз увеличивает расстояние, на которое мы можем заглянуть, в 10 раз, что даёт нам увеличение объёма в 103 – 1000 раз.
Вот, что происходит. Но описание явления не объясняет, почему оно происходит именно так. Конечно, здорово иметь возможность заглядывать так далеко, и что эффект убывает гораздо меньше с расстоянием, чем можно было ожидать. Это увеличивает ваши возможности по дальности, что жизненно важно, если учесть, что гравитационные волны изначально очень слабы.
Но если представить себе свет – электромагнитное излучение – как набор частиц, разброс которых растёт при удалении от их источника, можно представить себе, что его яркость связана с количеством частиц, попадающих в телескоп.
Почему же нельзя представить себе гравитационное излучение в виде набора частиц (к примеру, гравитонов), которые излучаются и таким же образом отдаляются друг от друга? Почему они не будут масштабироваться, как свет?
Иллюстрация слияния двух нейтронных звёзд. Справа показана материя звёзд, слева – искажение пространства-времени вблизи точки столкновения. В случае чёрных дыр сигналов, связанных с материей, не ожидается, однако благодаря LIGO и Virgo, мы можем обнаруживать гравитационные волны.
Во-первых, свет и гравитационные волны фундаментально похожи по следующим причинам. Они:
- переносят энергию,
- распространяются на неограниченные расстояния,
- расходятся наружу в пространство, сохраняя по мере удаления от источника примерно сферическую форму,
- поддаются обнаружению на определённом расстоянии пропорционально величине сигнала.
Геометрия пространства для света и гравитации одинакова, поэтому разница в их поведении должна заключаться в природе сигнала.
Чтобы разобраться в этом, нам нужно понять, в чём гравитация фундаментально отличается от электромагнетизма. Это позволит нам лучше понять, почему гравитационное излучение (наши гравитационные волны) ведёт себя не так, как электромагнитное излучение (свет), при распространении по бескрайним просторам межгалактического пространства.
Анимация, показывающая, как пространство-время реагирует на движение сквозь него массы, демонстрирует, что искривляется не просто какая-то ткань пространства, а всё трехмерное пространство.
Как мы можем создать электромагнитное или гравитационное излучение? Самый простой способ из тех, что можно придумать – спонтанно создать или уничтожить заряд в каком-то участке пространства (спойлер: это не сработает). Внезапное появление или исчезновение заряда создаст излучение весьма определённого типа: монопольное. Монопольное излучение появляется при изменении количества заряда.
Однако сделать этого ни для электромагнетизма, ни для гравитации не получится. В электромагнетизме сохраняется заряд; в гравитации сохраняется масса/энергия. Отсутствие монопольного излучения важно для стабильности Вселенной. Если бы заряд или масса спонтанно появлялись бы или исчезали, то наш мир был бы совершенно другим!
В электромагнетизме при наличии двух типов зарядов движение одного из них или разделение зарядов нейтральной системы порождает дипольное излучение. Гравитация работает по-другому.
Если заряд и масса/энергия сохраняются, тогда следующим шагом будет либо быстро двигать заряды (или массы) туда и сюда, или взять заряды разного знака и изменить расстояние между ними. Это породит то, что мы называем дипольным излучением, изменяющим распределение заряда без изменения его общего количества.
В электромагнетизме это порождает излучение, поскольку движение электрического заряда туда и сюда меняет сразу и электрическое, и магнитное поля. А это важно, поскольку электромагнитная волна – это на самом деле и есть изменение синфазных электрического и магнитного полей, перпендикулярных друг другу. Это простейший способ получить свет, и излучается он привычным вам способом. Свет переносит энергию, и её мы и обнаруживаем – и поэтому объекты кажутся в r^2 раз тусклее, чем есть на самом деле.
Электромагнитная волна и есть изменение синфазных электрического и магнитного полей, перпендикулярных друг другу. Мельчайшая единица (квант) электромагнитного излучения – это фотон. Это разновидность дипольного излучения, возможного в электромагнетизме, но запрещённого в гравитации.
Но в случае гравитации свободно движущаяся масса не порождает гравитационного излучения, поскольку существует правило сохранения для движущихся масс: сохранение импульса. Разделение масс тоже не порождает гравитационного излучения, поскольку центр масс остаётся постоянным. Также существует правило сохранения для масс, движущихся на определённом расстоянии от центра масс: сохранение углового импульса.
Поскольку энергия, импульс и угловой импульс сохраняются, нужно выйти за рамки монопольного и дипольного импульсов; необходимо определённое изменение распределения масс вокруг общего центра масс. Проще всего представить это – взять две массы и закрутить их вокруг общего центра масс, что даст нам то, что мы называем квадрупольное излучение.
Гравитационные волны распространяются в одном направлении, сжимая и расширяя пространство в перпендикулярных направлениях, определяемых поляризацией гравитационной волны.
Амплитуда гравитационного квадрупольного излучения падает как 1/r, что означает, что общая энергия падает, как 1/r^2, как и в случае электромагнитного. Однако тут срабатывает фундаментальное отличие гравитации и электромагнетизма. Есть большая разница между тем, что можно физически обнаружить при квадрупольном или дипольном излучении.
При электромагнитном (дипольном) излучении, когда фотоны сталкиваются с детекторами, они поглощаются, вызывая изменение уровня энергии, и это изменение – которое падает, как 1/r^2 – и есть наблюдаемый сигнал. Поэтому объекты выглядят тусклее по закону обратного квадрата.
Гравитационное (квадрупольное) излучение не поглощается детектором напрямую. Оно заставляет объекты сдвигаться или расходиться пропорционально амплитуде волны. И хотя энергия падает, как обратный квадрат, амплитуда падает, как 1/r. Поэтому гравитационные волны ослабляются по закону, отличному от электромагнитных.
Детектор гравитационных волн Virgo. Это гигантский лазерный интерферометр Майкельсона с плечами в 3 км длиной и двумя четырёхкилометровыми детекторами LIGO.
Поэтому нам требуется такая невообразимая чувствительность, когда мы пытаемся измерять гравитационную волну. Хотя она переносит огромное количество энергии, её амплитуда чрезвычайно мала. Первая обнаруженная нами гравитационная волна была испущена в результате слияния двух чёрных дыр, произошедшего за 0,2 сек и кратковременно испустившего больше энергии, чем все звёзды в обозримой части Вселенной, вместе взятые.
Но полученная нами амплитуда сжала и расширила всю Землю на величину порядка трёх диаметров протонов. Энергия была огромной и падала, как 1/r^2, но мы не можем обнаружить энергию гравитационных волн. Мы можем обнаружить только их амплитуду, которая к счастью падает только как 1/r, что очень хорошо.
Когда два плеча сохраняют абсолютно одинаковую длину и через них не проходят гравитационные волны, сигнал равен нулю, а картина интерференции не меняется. С изменением длин плеч сигнал колеблется, а интерференция предсказуемым образом меняется со временем.
Будущее гравитационно-волновой астрономии стало ярким с тех пор, как мы смогли улавливать эти крохотные амплитуды. Уже сейчас LIGO и Virgo готовятся к третьему эксперименту с гораздо более чувствительными параметрами. Мы ожидаем, что они будут выдавать не менее одной новой гравитационной волны в неделю, и возможно, по одному новому источнику в день.
Но если бы мы как-то смогли обнаруживать не амплитуду, а энергию, это произвело бы революцию. Даже самый слабый источник гравитационных волн из всех, что мы видели, слияние нейтронных звёзд в 2017 году, передало к нам больше энергии, чем передаёт электромагнитного излучения самая яркая звезда в нашем небе, Сириус.
Гравитационные волны – совершенно новый тип астрономии, и наибольшее значение для нас имеет их амплитуда. Излучение может фундаментально отличаться по своей природе от привычного нам света, но как только мы выяснили, как его обнаруживать, назад поворачивать уже не стоит. Теперь мы можем исследовать всю Вселенную через совершенно новую форму энергии.
10 слов, имеющих совсем другой смысл для физиков
Аромат
В физике частиц аромат никак не связан с запахом [по-английский flavour – это и вкус, и запах / прим. перев.]. Вместо этого этот термин обозначает частицы различных типов. Всего есть шесть “ароматов”, или вариаций, кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Лептонов тоже есть шесть видов: электрон, мюон, тау, и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино).
Цвет
Уберите вашу коробку мелков. Цвет [точнее, цветной заряд / прим. перев.], как и аромат – это ещё один способ обозначать различные субатомные частицы, однако основан он не на оттенках. Кварки можно назвать красными, зелёными или синими, однако эти именования обозначают лишь абстрактные характеристики заряда частиц по отношению к сильным (а не электромагнитным) взаимодействиям, и не связаны с реальными цветами. Есть даже целая область физики, посвящённая цветным зарядам: квантовая хромодинамика.
Поле
На физических полях не колосится пшеница, не растут травка и цветочки. В физике поля оказываются более монотонными, и обычно простираются в бесконечность. Они проницают Вселенную, и становятся видны только при встрече с чем-то, что может с ними взаимодействовать. Электрически заряженные частицы могут взаимодействовать с электромагнитным полем; частицы с массой могут взаимодействовать с гравитационным полем, а массу этим частицам придаёт поле Хиггса.
Струи
Внимание, говорит ваш капитан: струи физики частиц не связаны с самолётами [в английском это jet, реактивная струя / прим. перев.]. Струи – это потоки адронов (частиц, состоящих из кварков и глюонов), часто появляющиеся в результате столкновений с высокой энергией в ускорителях типа Большого адронного коллайдера. Порождают их кварк или глюон с высокой энергией, решившие побыть самостоятельными. Обычно кварки и глюоны не любят существовать по отдельности, поэтому эти высокоэнергетические частицы привлекают своих друзей из вакуума, создавая поток частиц, направленных примерно в одном направлении. И так появляется струя.
Триггер
Триггер для нас – это устройство, запускающее какой-то процесс. В физике частиц триггер – это система, сообщающая компьютеру о необходимости записи данных какого-либо столкновения. Это способ концентрироваться только на самых интересных и нужных взаимодействиях частиц в эксперименте, выдающем гораздо больше данных, чем мы можем записать, сохранить и проанализировать.
Фон
Фон бывает не только на картинах и фотографиях. В физических экспериментах фон обозначает все дополнительные сигналы, которые может зарегистрировать детектор, находящийся в поисках чего-либо уникального. К примеру, детектор, собранный для изучения пучков нейтрино, порождаемых ускорителем, также может зафиксировать частицы, приходящие из космоса. Фильтрация нужного сигнала с отделением его от фона – это важнейшая часть экспериментов физики частиц.
WIMP
По-английски wimp – это слабохарактерный человек, “тряпка”. Аббревиатура WIMP обозначает одного из главных кандидатов на роль тёмной материи. WIMP – это акроним для “слабо взаимодействующих массивных частиц”: гипотетических частиц, достаточно массивных для того, чтобы объяснить загадочные гравитационные эффекты, которые космологи наблюдают во Вселенной, но достаточно редко реагирующих с обычной материей для того, чтобы объяснить, почему их до сих пор никто не видел. Это одна из нескольких идей объясняющих тёмную материю – невидимую субстанцию, которой, тем не менее, во Вселенной гораздо больше, чем обычной материи.
Инфляция
Инфляция заставляет вас вспомнить об удешевлении денег или о том, как раздувается шарик [англ. inflation – надувание]. Однако это же слово относится и к самому началу Вселенной. Физики называют инфляцией период сразу после Большого взрыва [тут в оригинале ошибка – это период непосредственно перед Большим взрывом / прим. перев.], когда пространство расширялось с экспоненциальной скоростью во всех направлениях, из-за чего малые квантовые флуктуации разрослись до космических масштабов. Это привело к появлению крупномасштабных структур материи во Вселенной, которые мы сегодня наблюдаем – к примеру, скопления галактик.
Запутанность
Мы сталкиваемся с запутанностью, пытаясь совладать с кабелем от наушников. В физике частиц запутанность обозначает то, что Эйнштейн называл “пугающим дальнодействием”: две частицы могут быть разделены огромным расстоянием, но “объединены” таким образом, что воздействие на одну из них оказывает мгновенное воздействие на другую.
Свеча
Ваша стандартная свеча, скорее всего, сделана из фитиля и парафина. Стандартные свечи астрофизиков – это астрономические объекты известной [собственной] яркости (или светимости), которые можно измерить для измерения расстояний на огромных масштабах. Среди примеров стандартных свечей – рентгеновские вспышки и различные типы звёзд, например, переменные цефеиды или сверхновые (взрывающиеся звёзды). Измеряя скорость расширения Вселенной со временем с использованием стандартных свечей, учёные сделали удивительное открытие: Вселенная расширяется с увеличивающейся скоростью.
Считайте без сопротивления воздуха
Сопротивление воздуха: *существует*
Физика в средней школе:
Я буду притворяться, что я не видел этого.
Эйнштейна приглашали в Оксфорд в 1931 году прочитать три лекции по теории относительности.
Эту доску сохранили после его второй лекции 16 мая 1931 года
Анекдот про нейтрон
Заходит нейтрон в бар и спрашивает: "Почем выпивка?". Бармен ему отвечает: "Для тебя только безалкогольное".
p.s. передать смысл оригинала на русском невозможно, поэтому - небольшая адаптация.
p.p.s. Оригинальная шутка: A neutron walks into a bar and asks how much for a drink. The bartender replies: "For you, no charge"
Поясню, почему я перевёл no charge именно так. В "аналогичных" шутках, где участниками являются заряженные частицы, речь идёт о том, что они уже напились (зарядились). Здесь вся соль в том, что нейтрон не имеет заряд, и потому ему можно только безалкогольное. Да, это немного утрачивает смысл оригинала, но игру слов нельзя перевести так, чтобы и шашечки и ехать.
Что вы думаете об онлайн-курсах? Поделитесь мнением!
Онлайн-курсов становится все больше, и нам интересно собрать статистику, чтобы лучше понимать запросы читателей Пикабу.
Пожалуйста, поделитесь своим мнением!