Когда какие-либо два объекта во Вселенной взаимодействуют в одном и том же месте пространства-времени, одно утверждение всегда остаётся верным: это взаимодействие происходит с сохранением энергии. Но что, если один из этих объектов — сущность, порождённая самой тканью пространства-времени, например пульсация, известная также как гравитационная волна? Когда гравитационная волна взаимодействует с материей, энергией или сложным устройством вроде детектора гравитационных волн, может ли сама волна передавать энергию тому, с чем она взаимодействует? Это увлекательная мысль, и она вдохновила читателя задать следующий вопрос:
Когда мы обнаруживаем электромагнитную волну (будь то радиоантенна, глаз или сенсор камеры), мы извлекаем из неё энергию. Происходит ли то же самое с гравитационными волнами?
Должны извлекать. И вот почему.
Вопрос может показаться нелогичным, потому что мы постоянно используем этот термин, но что на самом деле означает «энергия»? Есть много способов определить её, но физику всегда интересует количественное значение терминов: «что она делает» и «насколько» — вот ответы, которые, как мы надеемся, даст хорошее определение. Для энергии наиболее распространёнными являются следующие:
энергия – это то, чьё количество поступления или выхода из системы в течение определённого времени измеряется мощностью;
энергия — это способность совершать работу (прикладывать силу, которая толкает объект на определённое расстояние в направлении действия силы);
энергия — это то, что требуется для того, чтобы вызвать изменения в движении или конфигурации системы.
Она бывает разной — потенциальной (запасённой), кинетической (движения), химической (электронных связей), ядерной (высвобождаемой из атомных ядер) и т. д., — но она универсальна для всех форм материи и излучения.
Относительно просто принять, что энергия переносится электромагнитными волнами, поскольку это, пожалуй, самая хорошо изученная форма излучения, о которой мы знаем. Электромагнитные волны, от гамма-лучей до видимого света и радиочастот, не только взаимодействуют с веществом и передают энергию, но и делают это в виде отдельных пакетов энергии: квантов, а именно — фотонов.
С помощью современных технологий мы постоянно извлекаем и измеряем энергию отдельных фотонов. Сам Эйнштейн впервые провёл критический эксперимент, показав, что даже крошечное количество ультрафиолетового света может выбить электроны из проводящего металла, но более длинноволновый свет, независимо от его интенсивности, не выбивает эти электроны вообще. Свет квантовался в маленькие пакеты энергии, и эта энергия могла передаваться материи и преобразовываться в другие формы энергии.
Сегодня мы признаём, что свет — это и электромагнитная волна, и серия частиц (фотонов), и что в обоих случаях он несёт в себе одинаковое количество энергии. Это помогает нам понять, как повседневные явления происходят в контексте энергии.
Когда видимый свет попадает на сетчатку глаза и стимулирует палочки и колбочки, электроны в молекулах клеток переходят в другую конфигурацию, в результате чего стимулируются определённые нервы и в мозг поступает сигнал (зрительный), на основе которого мозг интерпретирует увиденное.
Когда радиоволна проходит мимо антенны или через неё, электрические поля, создаваемые волной, заставляют электроны внутри двигаться, передавая энергию в антенну и обеспечивая создание электрического сигнала.
Когда свет попадает в цифровую камеру, фотоны ударяются о различные пиксели и стимулируют электронные компоненты внутри, передавая им энергию, что приводит к регистрации сигнала — от камеры вашего телефона до камеры на космическом телескопе «Хаббл».
Если так работают электромагнитные волны, то как насчёт гравитационных волн? Между ними есть некоторое сходство, поскольку и те и другие генерируются, когда заряженная (либо электрически заряженная, либо массивная, то есть «гравитационно заряженная») частица движется через изменяющееся поле (либо электромагнитное, либо гравитационное, то есть искривлённое пространство). Электроны в ускорителе частиц генерируют свет; чёрные дыры, вращающиеся друг вокруг друга, генерируют гравитационные волны.
Но могут быть и различия. Электромагнитные волны демонстрируют квантовое поведение, поскольку энергия этих волн квантуется в отдельные фотоны, из которых состоит свет. Гравитационные волны могут проявлять квантовое поведение, и эти волны могут квантоваться в отдельные частицы (гравитоны), составляющие эти волны, но у нас нет доказательств такой картины и нет практического способа проверить её.
Но один вывод, который должен быть верным — независимо от того, является ли гравитация по своей сути квантовой силой или общая теория относительности Эйнштейна по-настоящему фундаментальна, — заключается в том, что эти гравитационные волны должны нести энергию. Это не тривиальный вывод, но есть три доказательства, которые привели нас к нему: одно теоретическое достижение, один класс косвенных измерений и один тип прямых измерений, которые закрыли все оставшиеся лазейки.
Помните, что, хотя они были предсказаны ещё в середине 1910-х годов, никто не знал, являются ли гравитационные волны физически реальными или это просто математические предсказания без физического аналога. Были ли эти волны реальными, и могли ли они передавать энергию в реальные, измеримые частицы? В 1957 году состоялась первая американская конференция по общей теории относительности, известная теперь как GR1. И Ричард Фейнман, один из великих пионеров квантовой теории поля, придумал то, что сейчас известно как «аргумент липкой бусинки».
Представьте, что у вас есть тонкий стержень (или два тонких стержня, взаимно перпендикулярных) с двумя бусинами на обоих концах стержня. Одна бусина закреплена на стержне и не может скользить, а другая может свободно перемещаться относительно стержня. Если гравитационная волна пройдёт перпендикулярно ориентации стержня, расстояние между бусинами изменится, поскольку пространство растягивается и сжимается под действием гравитационной волны.
Но теперь давайте вспомним про трение. В реальности два макроскопических объекта, находящиеся в физическом контакте друг с другом, будут испытывать столкновения и взаимодействия — по крайней мере, между своими электронными облаками, — а это значит, что система бусина-стержень будет нагреваться по мере движения бусины вдоль стержня. Это тепло — одна из форм энергии, а энергия должна откуда-то взяться, и единственным очевидным виновником этого являются гравитационные волны. Гравитационные волны не только несут в себе энергию, но и могут передавать её в системы, состоящие из обычной, повседневной материи.
Следующий скачок вперёд произошёл благодаря наблюдению бинарных пульсаров: двух нейтронных звёзд, которые не только вращаются друг вокруг друга, но и при каждом вращении излучают радиоимпульсы, которые мы можем успешно наблюдать здесь, на Земле. Измеряя свойства этих импульсов во времени, мы можем восстановить орбиты этих нейтронных звёзд и то, как эти орбиты меняются с течением времени.
Примечательно, что мы обнаружили, что орбиты распадаются, так, будто что-то уносит их орбитальную энергию. Расчёты из общей теории относительности (сплошная линия, ниже) и наблюдения (точки данных, ниже) подтвердили явные количественные предсказания энергии, уносимой гравитационными волнами. Конкретные предсказания того, сколько энергии они уносят от источника, были подтверждены сначала одной, а теперь и многими орбитальными бинарными системами.
Но оставался ещё один шаг, который необходимо было проверить: как насчёт передачи энергии от гравитационных волн к материи? Это ключевой шаг, который должен произойти, чтобы детекторы гравитационных волн — такие, как LIGO Национального научного фонда — заработали. На расстоянии миллиарда световых лет две чёрные дыры массой 36 и 29 солнечных масс слились, преобразовав массу примерно трёх Солнц в чистую энергию.
К тому времени, когда эти волны достигли Земли, они распределились так, что на всю планету обрушилось всего 36 миллионов Дж энергии: примерно столько же, сколько Манхэттен получает днём от солнечного света за 0,7 секунды. Зеркала в детекторах LIGO сдвинулись относительно друг друга менее чем на тысячную долю ширины протона, что изменило траекторию света и совсем немного изменило энергию фотонов. В каждый детектор попало менее микроджоуля. И всё же этого оказалось достаточно, чтобы добиться надёжного обнаружения не только в первый раз, но и уже более чем в 50 независимых случаях.
Единственный способ напрямую обнаружить гравитационную волну — да и вообще любой сигнал — это физически воздействовать на систему, созданную для её измерения. Но все наши системы обнаружения состоят из материи, и вызвать физическое изменение в этой системе равносильно изменению её конфигурации: для этого требуется приток внешней энергии. Независимо от метода, обнаружение всегда требует затраты энергии.
Для того чтобы детекторы гравитационных волн работали, необходимо, чтобы были верны три вещи. Гравитационные волны должны нести энергию, этой энергии должно быть достаточно, чтобы она могла повлиять на детектор к моменту прибытия на Землю, и нам нужно было построить достаточно умный детектор, чтобы извлечь эту энергию и превратить её в наблюдаемый сигнал. Примечательно, что от первого зарождения идеи до непосредственного обнаружения человечеству потребовалось всего столетие.
Комментарии (34)
Revertis
18.03.2024 15:10Так я не понял, каким образом предполагается съём энергии? В описанном опыте с палочками и бусинками вроде ничего двигаться не должно, так как сжимается и растягивается само пространство, и это влияет на все части установки.
Pshir
18.03.2024 15:10+1Там не просто растягивается и сжимается пространство-время. Там у метрического тензора появляется ненулевая кривизна. Которая эквивалентна возникновению гравитационной силы. И в разных точках пространства эта гравитационная сила будет разной. И если стержень имеет возможность только сжиматься и растягиваться, то шарики имеют возможность по нему относительно свободно скользить.
Revertis
18.03.2024 15:10Так а почему шарики будут скользить, а не так же на месте сжиматься или растягиваться?
Pshir
18.03.2024 15:10+2В разных точках сила гравитации разная. Чем дальше две точки друг от друга, тем сильнее будут отличаться силы. Сжатие и растяжение - это следствие того, что силы, действующие на разные точки тела, отличаются. Маленький шарик будет сжиматься и растягиваться гораздо слабее, чем длинный стержень. Стержень тоже будет, как целое, туда-сюда колебаться, как и шарики. Но на один шарик действует одна сила, на другой -другая, а на стержень - что-то среднее. В итоге шарики будут кататься относительно стержня.
Revertis
18.03.2024 15:10Ладно, значит это два шарика на длинном стержне. Волна растягивает и сжимает пространство где-то посередине стержня. Шарики "как бы" колеблются относительно друг-друга. Но за счёт чего может вырабатываться энергия?
Допустим, у нас простой способ индукции - мы приближаем и отдаляем магнит и катушку, по проводам течёт какой-то ток. Но тут мы сокращаем и увеличиваем расстояние между предметами. А как это всё работает, если само пространство сжимается и разжимается? Почему-то мне кажется, что это не может влиять на такую систему катушка-магнит.
Или я в чём-то ошибаюсь?
Pshir
18.03.2024 15:10+1Если бы пространство однородно сжималось и расширялось, то действительно ничего не происходило бы. Шарики и стержень оставались бы на своих местах. Но в гравитационной волне это не так. Грубо говоря, представьте, справа и слева от шарика пространство сжато по-разному. А это и есть сила гравитации, которая толкает шарик (и это уже эффект следующего порядка малости). Шарик начинает перемещаться внутри неоднородно сжатого пространства. А поскольку шарики находятся в разных местах, то и гравитационные силы, действующие на них, будут разными (а это ещё следующий порядок малости). А значит, шарики будут двигаться по-разному. Возможно, даже в противоположных направлениях. И это именно уже движение внутри пространства, а не движение вместе с ним. А значит, они обязательно будут скользить по стержню, на который будет действовать какая-то средняя гравитационная сила.
Ark_V
18.03.2024 15:10А разве шарики и стержень не являются частью самого этого же пространства? По Вашим словам получается, что материя с пространством раздельны и материя, как бы "плавает" в пространстве, но ведь это же не может быть так, по идее материя должна быть просто "сгустком" пространства и испытывать деформации совместно с пространством.
Pshir
18.03.2024 15:10+1Пожалуйста, прочитайте ещё раз. У вас тоже в голове картинка с однородной деформацией. Даже если материя испытывает деформацию вместе с пространством, это никак не отменяет того факта, что градиент этой деформации создаёт гравитационную силу. И вот эта гравитационная сила заставляет шарики двигаться в пространстве. Причём по-разному. Вспомните такую популярную вещь, как приливные силы вблизи чёрной дыры, которые разрывают предметы. Предмет находится в свободном падении, казалось бы предмет деформируется вместе с пространством, но огромная его кривизна приводит к тому, что на разные части предмета действует разная гравитационная сила. И эта разность может быть настолько велика, что разорвёт предмет на части. Здесь ровно то же самое, только эффект на много порядков слабее из-за огромного расстояния.
Grogcm20
18.03.2024 15:10Похожа ли эта аналогия на буй возле утеса, перемещающийся по волнам, то ближе то дальше? Вроде он движется вместе с массой воды, но и скользит по воде относительно утёса.
Pshir
18.03.2024 15:10Да! Он движется с водой, но на склоне волны под действием силы тяжести вынужден дополнительно смещаться относительно воды.
Pshir
18.03.2024 15:10Сам Эйнштейн впервые провёл критический эксперимент
Эксперименты проводил не Эйнштейн.
Shkaff
18.03.2024 15:10+1И всё же этого оказалось достаточно, чтобы добиться надёжного обнаружения не только в первый раз, но и уже более чем в 50 независимых случаях.
Больше, чем в 90 (и это опубликованный каталог, а на деле уже в два раза больше).
Dmitri-D
18.03.2024 15:10+2удивительно как в LIGO избавились от температурных и механических волн. По идее, проезэающий мимо грузовик должен сдвигать зеркала больше, чем на тысячную долю диаметра протона, не говоря о температурных колебаниях.
Melirius
18.03.2024 15:10+2Да, там многоуровневая система демпферов, и именно её качество определяет полосу чувствительности снизу, для малых частот.
Shkaff
18.03.2024 15:10+1Так и не избавились. Грузовики, проезжающие мимо, до сих пор вызывают колебания, которые мешают наблюдениям. Поэтому детекторы стоят в глуши :) Там действительно сложная система активного и пассивного подавления, но этого не всегда хватает.
Насчет температурных колебаний: они являются главным ограничением для чувствительности. Чтобы их подавить, используются материалы самого высокого качества (и конечно все находится в вакууме). Но, например, японский детектор KAGRA работает при криогенных температурах. И будущий европейский детектор Einstein Telescope тоже будет работать при температуре около 15-20 Кельвино.
mikhailnikname
18.03.2024 15:10"то есть искривлённое пространство) " - после такого выкрутаса читать далее не смысла)), искривлённое пространство может быть только в головах Эйнштейновосхищённых)
PrinceKorwin
18.03.2024 15:10А как много потенциально можно снять энергии? Гравитация - самое слабое из всех сил. И она в 1000 триллион триллион триллион раз слабее сильного взаимодействия.
Там точно что-то значимое хотят снять?
artemev
18.03.2024 15:10Насколько я понял речь не идет о создании генератора. Просто изучают как гравитационные волны воздействуют на материю.
Pshir
18.03.2024 15:10+1Ну вот сравните выброс энергии от сверхновой типа Ia (термоядерный взрыв, сильное и электромагнитное взаимодействие) и сверхновой типа II (гравитационный коллапс, гравитационное взаимодействие). Заодно вспомните про гравитационные манёвры: до сих пор третьей космической скорости без их использования не достигали. Вы не учитываете то, что сильное взаимодействие короткодействующее: в гравитационном взаимодействии участвуют все объекты целиком, а в сильном - только части объектов, находящиеся на расстоянии менее 10^-15 метра друг от друга. Именно поэтому в космических масштабах фактически существует только гравитационное взаимодействие, и чуть-чуть электромагнитное.
kauri_39
18.03.2024 15:10две чёрные дыры массой 36 и 29 солнечных масс слились, преобразовав массу примерно трёх Солнц в чистую энергию
В какую энергию? В поперечные колебания "ткани пространства-времени"? То есть материя сингулярностей (допустим, плотно упакованные кварки) может превращаться в такие волны? Но последние - вовсе не материя, они не как электромагнитные волны - фотоны, на которые распадаются кварки при аннигиляции. Не проще ли в данном случае допустить дефект масс?
"Дефе́кт ма́ссы (англ. mass defect) ΔM — разность между суммой масс отдельных составляющих какой-либо связанной физической системы взаимодействующих объектов (тел, частиц), находящихся в свободном состоянии, и массой само́й этой системы." (Из Википедии)
DenSigma
18.03.2024 15:10Про бусины - какая-то ахинея. При сжатии-растяжения пространства приближаются-отдаляются не только бусины, но и сжимается-удлиняется стержень. Соответственно, как бусины находись на своих точках на стержне, так и будут оставаться.
Про зеркала и Лиго тоже какая-то ерунда. Частота лазерных волн не меняется, меняется только фаза. При этом энергия квантов не меняется, соответсвенно и поглощение-отдача энергии отсутствует. Также как отсутствует передача энергии при прохождении света через стекло, фаза при этом сдвигается по отношению к фазе луча, проходящего через пустое пространство.
Короче, не убедительно.
nav68
18.03.2024 15:10Судя по этой публикации - эталонный метр сжимается и расьягивается, т.е. никакой он не эталон.
mib
Есть много вопросов:
Верно ли, что любой детектор поглощает детектируемую энергию либо полностью либо частично ?
Детектор гравитационных волн поглощает их энергию ? Снижает амплитуду волн ?
Если поставить несколько детекторов в ряд, будет ли детектировтаься затухание волн ?
leok
Да, верно(утверждение абсолютно равносильно просто "поглощает некоторую энергию"). В случае с гравитационными волнами доля поглощаемой энергии чрезвычайно мала, около 10^-13 согласно оценке выше. Учитывая, что гравитационные волны еле-еле превышают порог детектирования (обычно на 0-2 порядка по амплитуде), с текущими детекторами зарегистрировать данный эффект не получится.
V_Scalar
Бездонный космос скрывает много загадок: космические струны, доменные стенки и тд .. Но самая удивительная из них — космические кольчатые черви, мощная перестальтика стенок желудка червя может затянуть космический корабль и извергнуть его через чёрную дыру
leok
Это визуализация деформации цилиндра, а не червь.
Shkaff
Шаи-Хулуд здорового человека
Kiridan
Варпово отродье.
Grogcm20
Прикольно. Мы живём на каком-то внутреннем органе червя живущего на Аракисе, а звезды на небе жто всего лишь шаровые молнии от статического электричества.
Revertis
Пробел перед вопросительным знаком не ставится.