Гравитационные волны, что это такое?

16 октября 2017 г. было объявлено о первом обнаружении гравитационных волн.

Создаваемых сталкивающимися нейтронными звездами.

Но что такое гравитационные волны?

Вот попытка объяснения этого загадочного явления.

Чтобы лучше понять это явление, давайте вернемся на несколько сотен лет назад. В 1687 году, когда Исаак Ньютон опубликовал свою «Философские основы математики». Он размышлял о силе тяготения как о силе притяжения между двумя массами. Будь то Земля и Луна или две горошины на столе.

Однако во времена Ньютона природа того, как эта сила передавалась, была не понятна. Действительно, сам закон всемирного тяготения не был подтвержден. До тех пор, пока британский ученый Генри Кавендиш не проверил это в 1798 году, измеряя плотность Земли.

 

Перенесемся в 1916 год, когда Эйнштейн представил физикам новый способ представления пространства, времени и гравитации. Основываясь на работе, опубликованной в 1905 году, общая теория относительности объединила то, что мы обычно считаем отдельными сущностями. Пространство и время – в то, что сейчас называется «пространством-временем».

Пространство-время можно рассматривать как ткань Вселенной. Это означает, что все, что движется, движется через него. В этой модели все, что имеет массу, искажает ткань пространства-времени. Чем больше масса, тем больше искажение. И поскольку каждый движущийся объект движется в пространстве-времени, он также будет следовать искажениям, вызванным объектами большой массы.

 

 

Рябь на ткани пространства-времени

Один из способов воплотить это, представить детей, один тяжелее другого, прыгающих на батуте. Если рассматривать поверхность батута как плоскость, то более массивный ребенок деформирует плоскость сильнее, чем другой. Если один ребенок кладет мяч рядом со ногами другого, мяч катится по направлению к его ногам или следует за ним.

Точно так же, когда Земля вращается вокруг Солнца. Огромная масса Солнца искажает пространство вокруг него. В результате чего наша сравнительно маленькая планета следует максимально «прямым» путем, но в искривленном пространстве. Вот почему она вращается вокруг Солнца.

 

 

Если мы примем эту простую аналогию, тогда у нас есть основы гравитации. Переход к гравитационным волнам – небольшой, но очень важный шаг. Представьте, что один из детей на батуте будет тянуть тяжелый предмет по поверхности. Это создает рябь на поверхности, которую можно наблюдать. Другой способ визуализировать это – подумать о том, как вы бьете рукой по воде. Волны или рябь расходятся от источника, но быстро затухают.

Любой объект, движущийся через ткань пространства-времени, вызывает в ней волны или рябь. Однако, эта рябь также довольно быстро исчезает. И только самые сильные события вызывают искажения, достаточно большие, чтобы их можно было обнаружить на Земле.

Чтобы представить это в перспективе, две сталкивающиеся черные дыры, каждая с массой в десять раз превышающей массу нашего Солнца, приведет к появлению волны, вызывающей искажение в 1% диаметра атома, когда она достигнет Земли.

Как использовать гравитационные волны?

 

Учитывая, что эта рябь настолько мала и ее так сложно обнаружить, зачем так стараться их найти? На ум приходят две непосредственные причины. При этом оставим в стороне простое желании знать. Во-первых, они были предсказаны Эйнштейном 100 лет назад. Таким образом, подтверждение существования гравитационных волн обеспечивает подтверждение его общей теории относительности.

Кроме того, подтверждение может открыть новые области физики, такие как гравитационно-волновая астрономия. Изучая гравитационные волны, мы могли бы регистрировать подробности событий в космосе.

 

Однако, чтобы получить максимальный эффект от таких наблюдений, лучше всего разместить детектор в космосе. Ученым удалось поймать гравитационные волны с помощью лазерной интерферометрии. Этот метод работает путем разделения лазерного луча в двух перпендикулярных направлениях. И направления каждого из них по длинному вакуумному туннелю.

Затем два луча отражаются зеркалами обратно в точку, в которой они начинались, где размещается детектор. Если их направление будет искажено гравитационными волнами, вернувшиеся лучи будут отличаться от оригинала. Однако в космических интерферометрах, создание которых запланировано на следующее десятилетие, будут использоваться лазерные лучи с радиусом действия до миллиона километров.

 

Теперь, когда мы знаем, что они существуют. Есть надежда, что гравитационные волны смогут открыть дверь к разгадке некоторых из самых больших тайн. Например, из чего состоит большая часть Вселенной.

Только 5% Вселенной, это обычная материя, 27% – темная материя, а остальные 68% – темная энергия.

 

Причем последние две части называются «темными», потому, что мы до сих пор не понимаем, что они собой представляют. Гравитационные волны могут теперь предоставить инструмент, с помощью которого можно исследовать эти загадки.