Гравітаційні хвилі що це таке, в чому цінність відкриття і як влаштований детектор хвиль в Лиго,
Розповідаємо, чому відкриття гравітаційних хвиль так важливо, що сказав Марк Цукерберг і, звичайно, ділимося історією від першої особи. Кіп Торн як ніхто інший знає, як влаштований проект, в чому його незвичайність і яке значення ЛИГО має для людства. Так-так, все так серйозно.
Відкриття гравітаційних хвиль
Причина гравітаційних хвиль - зіткнення двох чорних дір, яке відбулося аж ... в мільярд світлових років від Землі. Уявляєте, наскільки величезна наша Всесвіт! Так як чорні діри - дуже масивні тіла, вони пускають «брижі» по простору-часу, трохи його спотворюючи. Ось і з'являються хвилі, схожі на ті, які поширюються від каменя, кинутого у воду.
Ось так можна уявити гравітаційні хвилі, що йдуть до Землі, наприклад, від червоточини. Малюнок з книги «Інтерстеллар. Наука за кадром »
Отримані коливання перетворили в звук. Цікаво, що сигнал від гравітаційних хвиль приходить приблизно на тій же частоті, що і наша мова. Так що ми можемо на власні вуха почути, як стикаються чорні діри. Послухайте, як звучать гравітаційні хвилі.
І знаєте що? Зовсім недавно Стівен Хокінг заявив. що чорні діри влаштовані не так, як вважалося раніше. Але ж доказів того, що вони в принципі існують, не було зовсім. А тепер є. Чорні діри дійсно «живуть» у Всесвіті.
Так, на думку вчених, виглядає катастрофа - злиття чорних дір, - джерело.
Пошук гравітаційних хвиль був однією з головних проблем фізики. Тепер вони знайдені. І геній Ейнштейна підтверджений знову.
Гравітаційні хвилі, детектори хвиль і LIGO
У книзі «Інтерстеллар. Наука за кадром »Кіп Торн розповідає:« Я був одним із засновників проекту ЛИГО в 1983 році (разом з Райнером Вайсом з Массачусетського технологічного інституту і Рональдом Дрівером з Калтеха). Я сформулював наукові позиції ЛИГО і два десятка років наполегливо працював, допомагаючи втілити цей проект в життя. Зараз проект ЛИГО близький до готовності, і вже в цьому десятилітті очікується перша реєстрація гравітаційних хвиль ». А адже це - очікування великих відкриттів - було зовсім недавно. Сьогодні це сталося.
Аерофотознімок детектора гравітаційних хвиль ЛИГО в Хенфорді, Вашингтон. Фотографія з книги «Інтерстеллар. Наука за кадром »
Що ж, а тепер трохи фізики. Для тих, хто дійсно хочеться розібратися в тому, що таке гравітаційні хвилі. Ось художнє зображення тендекс-ліній двох чорних дір, які обертаються по орбітах навколо одна одної, проти годинникової стрілки, і потім стикаються. Тендекс-лінії породжують приливну гравітацію. Йдемо далі. Лінії, які виходять з двох найбільш віддалених одна від одної точок на поверхнях пари чорних дір, розтягують все на своєму шляху, включаючи потрапила на малюнок подругу художниці. Лінії ж, які виходять із області зіткнення, все стискають.
Коли діри обертаються одна навколо іншої, вони захоплюють слідом свої тендекс-лінії, які походять на струмені води з крутиться поливалки на газоні. На малюнку з книги «Інтерстеллар. Наука за кадром »- пара чорних дір, які стикаються, обертаючись одна навколо іншої проти годинникової стрілки, і їх тендекс-лінії.
Чорні діри об'єднуються в одну велику діру; вона деформована і обертається проти годинникової стрілки, захоплюючи за собою тендекс-лінії. Нерухомий спостерігач, що знаходиться далеко від діри, відчує коливання, коли через нього проходитимуть тендекс-лінії: розтягнення, потім стиснення, потім розтягнення - тендекс-лінії стали гравітаційної хвилею. У міру поширення хвиль деформація чорної діри поступово зменшується, і хвилі також слабшають.
Коли ці хвилі досягають Землі, вони мають вигляд, показаний у верхній частині малюнка нижче. Вони розтягують в одному напрямку і стискають в іншому. Розтягування і стиснення коливаються (від червоного вправо-вліво, до синього вправо-вліво, до червоного вправо-вліво і т. Д.) У міру того, як хвилі проходять через детектор в нижній частині малюнка.
Гравітаційні хвилі, що проходять через детектор ЛИГО.
Детектор представляє собою чотири великі дзеркала (40 кілограмів, 34 сантиметри в діаметрі), які закріплені на кінцях двох перпендикулярних труб, званих плечима детектора. Тендекс-лінії гравітаційних хвиль розтягують одне плече, стискаючи при цьому друге, а потім, навпаки, стискають перше і розтягують друге. І так знову і знову. При періодичному зміні довжини плечей дзеркала зміщуються один щодо одного, і ці зсуви відстежуються за допомогою лазерних променів способом, який називається інтерферометра. Звідси і назва ЛИГО: Лазерно-інтерферометрична гравітаціонноволновая обсерваторія.
Центр управління ЛИГО, звідки відправляють команди детектору і стежать за отриманими сигналами. Гравітаційні детектори ЛИГО розташовані в Хенфорді, штат Вашингтон, і Лівінгстоні, штат Луїзіана. Фото з книги «Інтерстеллар. Наука за кадром »
Зараз ЛИГО - інтернаціональний проект, в якому бере участь 900 вчених з різних країн, з штабом, розташованим в Каліфорнійському технологічному інституті.
Викривлена сторона Всесвіту
Чорні діри, червоточини, сингулярності, гравітаційні аномалії і вимірювання вищого порядку пов'язані з викривленнями простору і часу. Тому Кіп Торн називає їх «викривленою стороною Всесвіту». У людства до цих пір дуже мало експериментальних і спостережних даних з викривленою боку Всесвіту. Ось чому ми стільки уваги віддаємо гравітаційним хвилям: вони складаються з викривленого простору і надають найбільш доступний для нас спосіб досліджувати викривлену сторону.
Уявіть, що вам доводилося бачити океан, тільки коли він спокійний. Ви б знати не знали про течіях, відвертих і штормових хвилях. Це нагадує наші сьогоднішні знання про викривлення простору і часу.
Ми майже нічого не знаємо про те, як викривлене простір і викривлене час ведуть себе «в шторм» - коли форма простору бурхливо коливається і коли коливається швидкість течії часу. Це незвичайно вабить кордон знань. Вчений Джон Уілер придумав для цих змін термін «геометродинаміки»
Особливий інтерес в області геометродинаміки представляє зіткнення двох чорних дір.
Зіткнення двох невращающихся чорних дір. Модель з книги «Інтерстеллар. Наука за кадром »
На малюнку вище зображено момент зіткнення двох чорних дір. Якраз така подія дозволило вченим зафіксувати гравітаційні хвилі. Ця модель побудована для невращающихся чорних дір. Зверху: орбіти і тіні дірок, вид з нашого Всесвіту. Посередині: викривлене простір і час, вид з балка (багатовимірного гіперпростору); стрілками показано, як простір втягується в рух, а змінюються квітами - як викривляється час. Знизу: форма випускаються гравітаційних хвиль.
Гравітаційні хвилі від Великого вибуху
Слово Стос Торну. «У 1975 році Леонід Грищук, мій добрий приятель ізУкаіни, зробив сенсаційну заяву. Він сказав, що в момент Великого вибуху виникла безліч гравітаційних хвиль, причому механізм їх виникнення (перш невідомий) був такий: квантові флуктуації (випадкові коливання - прим. Ред) гравітаційного поля при Великому вибуху були багаторазово посилені початковим розширенням Всесвіту і так стали початковими гравітаційними хвилями. Ці хвилі, якщо їх вдасться виявити, можуть розповісти нам, що відбувалося в момент зародження нашого Всесвіту ».
Якщо вчені знайдуть початкові гравітаційні хвилі, ми дізнаємося, як зародився Всесвіт.
Люди розгадали далеко на всі загадки Всесвіту. Все ще попереду.
У наступні роки, у міру того як удосконалювалися наші уявлення про Великий вибух, стало очевидно: ці початкові хвилі повинні бути сильними на довжинах хвиль, можна порiвняти з величиною видимого Всесвіту, тобто на довжинах в мільярди світлових років. Уявляєте, скільки це. А на довжинах хвиль, які охоплюють детектори ЛИГО (сотні і тисячі кілометрів), хвилі, швидше за все, виявляться занадто слабкими, щоб їх розпізнати.
Команда Джеймі Бока побудувала апарат BICEP2. за допомогою якого був виявлений слід початкових гравітаційних хвиль. Апарат, що знаходиться на Північному полюсі, показаний тут під час сутінків, які бувають там лише двічі на рік.
Він оточений щитами, екранують апарат від випромінювання навколишнього крижаного покриву. У правому верхньому куті показаний виявлений в реліктовому випромінюванні слід - поляризаційний візерунок. Лінії електричного поля спрямовані уздовж коротких світлих штрихів.
Слід початку Всесвіту
На початку дев'яностих космологи зрозуміли, що ці гравітаційні хвилі довжиною в мільярди світлових років повинні були залишити унікальний слід в електромагнітних хвилях, які наповнюють Всесвіт, - в так званому космічному мікрохвильовому фоні, або реліктовому випромінюванні. Це поклало початок пошукам святого Грааля. Адже якщо виявити цей слід і вивести з нього властивості початкових гравітаційних хвиль, можна дізнатися, як зароджувалася Всесвіт.
Це абсолютно приголомшливе відкриття, але є один спірний момент: слід, знайдений командою Джемі, міг бути викликаний не гравітаційними хвилями, а чимось ще.
Якщо дійсно знайдений слід гравітаційних хвиль, що виникли при Великому вибуху, значить, сталося космологічне відкриття такого рівня, які трапляються, можливо, раз на півстоліття. Воно дає шанс доторкнутися до подій, які відбувалися через трильйонну від трильйонної від трильйонної частки секунди після народження Всесвіту.
Це відкриття підтверджує теорії, які проголошують, що розширення Всесвіту в ту мить було надзвичайно швидким, на сленгу космологов - інфляційно швидким. І сповіщає настання нової ери в космології.
Гравітаційні хвилі і «Інтерстеллар»
Вчора на конференції з приводу відкриття гравітаційних хвиль Валерій Митрофанов, керівник московської колаборації вчених LIGO, в яку входять 8 вчених з МДУ, зазначив, що сюжет фільму «Інтерстеллар» хоч і фантастичний, але не так далекий від дійсності. А все тому, що науковим консультантом був Кіп Торн. Сам же Торн висловив надію, що вірить в майбутні пілотовані польоти людини до чорної діри. Нехай вони трапляться не так скоро, як хотілося б, і все ж сьогодні це набагато реальніше, ніж було раніше.
Не так вже й далекий день, коли люди покинуть межі нашої галактики.
Подія сколихнула уми мільйонів людей. Відомий Марк Цукерберг написав: «Виявлення гравітаційних хвиль - найбільше відкриття в сучасній науці. Альберт Ейнштейн - один з моїх героїв, тому я сприйняв відкриття так близько. Століття тому в рамках загальної теорії відносності (ЗТВ) він передбачив існування гравітаційних хвиль. Але ж вони такі малі, щоб їх виявити, що прийшло шукати їх у витоках таких подій, як Великий вибух, вибухи зірок і зіткнення чорних дір. Коли вчені проаналізують отримані дані, перед нами відкриється досконалої новий погляд на космос. І, можливо, це проллє світло на походження Всесвіту, народження і процес розвитку чорних дір. Це дуже надихає - думати про те, скільки життів і зусиль було покладено на те, щоб зірвати покрив з цієї таємниці Всесвіту. Цей прорив став можливим завдяки таланту блискучих вчених і інженерів, людей різних національностей, а також новітніх комп'ютерних технологій, які з'явилися тільки недавно. Вітаю всіх причетних. Ейнштейн б вами пишався ».
Така ось мова. І це людина, яка просто цікавиться наукою. Можна собі уявити, яка буря емоцій захлеснула вчених, які внесли свою лепту у відкриття. Здається, ми стали свідками нової ери, друзі. Це разюче.
P.S. Сподобалося? Підписуйтесь на нашу розсилку по кругозору. Раз в тиждень надсилаємо пізнавальні листи і даруємо знижки на книги міфу.