Одно из самых неожиданных предсказаний Общей теории относительности Эйнштейна – существование не только материи, излучения и других форм энергии, основанных на частицах, но также существование и самого по себе гравитационного излучения, фундаментальной «ряби» на ткани пространства-времени. Это одна из самых сложных для понимания концепций, и наш читатель хочет узнать больше на эту тему:
Гравитационные волны – это возмущения пространства-времени, путешествующие со скоростью с. Однако пространство-время может расширяться и сокращаться быстрее с. Но расширение, за которым следует сокращение, это, по сути, и есть определение компрессионной волны. Получается вроде бы парадокс: гравитационные волны перемещаются со скоростью с, но для них вроде бы существует возможность сверхсветового перемещения. Как его разрешить?
Для начала начнём с концепции этого излучения, и как оно появляется.
В электромагнетизме, даже в классическом, есть только две вещи, необходимые для появления электромагнитного излучения: заряд и поле, через которое он двигается. Электрический заряд может быть положительным (как у протона) и отрицательным (как у электрона), и если он передвигается в магнитном поле, оно будет ускорять его, и закручивать, отправляя на циклическую или спиральную траекторию.
Чем сильнее поле, тем выше скорость, а чем больше отношение заряда к массе, тем больше и ускорение (или изменение движения).
Но в таких взаимодействиях должна сохраняться энергия и импульс, поэтому в электромагнетизме каждый раз, когда заряд ускоряется под действием внешнего поля, ему приходится испускать излучение. Оно проявляется в виде фотонов, и называется, в зависимости от способа возникновения, тормозным (нем. Bremsstrahlung), циклотронным или синхротронным излучением.
В ньютоновской физике никакого гравитационного излучения не было бы, но эйнштейновская ОТО всё меняет. У массивных источников – таких, как частицы – есть аналог гравитационного заряда, а искривлённое пространство – это аналог гравитационного поля. Каждый раз, когда массивная частица двигается в искривлённом пространстве, а оно может быть сильно искривлено рядом со звездой, белым карликом, нейтронной звездой или чёрной дырой, она будет испускать аналог электромагнитного излучения: гравитационное излучение.
Эта новая форма излучения будет не фотоном или каким-то другим видом излучения, а гравитационной волной, распространяющейся в самой ткани пространства. Для массы порядка земной, вращающейся вокруг Солнца, гравитационное излучение оказывается так мало, что на заметное изменение орбиты должно уйти порядка 10140 возрастов Вселенной. Мы этого никогда не заметим. Но для систем с более крупными массами, меньшими расстояниями и более сильными полями последствия оказываются более серьёзными: для двойных пульсаров, движения по орбите вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики или сливающихся чёрных дыр. В таких случаях можно наблюдать уменьшение орбиты, и из-за необходимости сохранения энергии мы знаем, что что-то её уносит.
Это и должно быть гравитационное излучение (оно же – гравитационные волны), и благодаря наблюдению за двойными пульсарами мы знаем, что скорость этого излучения должна равняться скорости света с точностью в 0,2%! Иначе говоря, волны двигаются сквозь пространство с той же скоростью, что и фотоны. Главное отличие в том, что в случае гравитационного излучения эти волны являются неотъемлемой частью самой ткани пространства.
Так что же происходит, если эти волны, как описано в вопросе читателя, создаются не в статичном пространстве, а в расширяющейся Вселенной? Они растягиваются и подвергаются расширению точно так же, как фотоны.
Длина волны фотона, путешествующего в расширяющейся Вселенной, растягивается вместе с расширением пространства. Концентрация и энергия этих частиц уменьшаются, и хотя они всегда распространяются со скоростью света, расстояния между источником и наблюдателем увеличиваются. К примеру, в самом начале горячего Большого взрыва, 13,8 млрд лет назад, спустя всего 10-33 секунд после инфляции:
• Фотон, достигший нас сегодня, был бы всего в 100 метрах от нас 13,8 млрд лет назад.
• Он путешествовал бы 13,8 млрд лет, и прошёл бы 13,8 млрд световых лет по расширяющейся Вселенной, и его длина волны увеличилась бы на 28 порядков.
• Источник достигнувшего нас сегодня фотона находился бы на расстоянии в 46,1 млрд световых лет от нас.
Звучит безумно? Вот это же безумие происходит и с гравитационными волнами! Гравитационная рябь тоже должна распространяться по расширяющейся Вселенной, тоже перемещается в пространстве со скоростью света (расширяется оно или нет), и его длина волны растягивается так же, как у фотонов. Гравитационные волны «едут верхом» на ткани пространства так же, как водяные «едут верхом» по поверхности воды. Если вы уроните камень в реку, то рябь не просто будет распространяться наружу по радиусу. Она будет распространяться наружу, и одновременно её будет уносить течение реки.
Примерно так же ведёт себя и гравитационная рябь на ткани пространства: волны перемещаются с такой скоростью, с какой они всегда перемещаются в среде – со скоростью света с – но иногда движется и среда. Это не значит, что они превышают скорость света, так же, как фотоны не превышают её, когда оказываются в 46 млрд световых лет от источника, от которого они начали свой путь 13,8 млрд лет назад. Гравитационные волны ведут себя так, как должны. Аналог со сжатием и расширением действительно очень хороший. Проходящая волна искажает ткань пространства, и все вещи и частицы в ней, растягивая и сжимая их определённым образом.
Но распространяется она по Вселенной со скоростью света и с учётом того, как ведёт себя сама ткань пространства: расширяется, сжимается, или остаётся статичной. В этом и разрешение парадокса: волны путешествуют со скоростью с, вне зависимости от того, что происходит со средой, через которую они проходят!
Комментарии (41)
Fagot63
07.02.2017 19:17+1Ох помнится меня пол года назад, за словосочетание: гравитационное излучение, загнали в -100 по карме. Ну да кто я, и кто Итан. :)
Jetmanman
09.02.2017 12:44Потому что на гиктаймсе чтобы кто ни говорил, а большинство верит в авторитеты. И не важно что ничего не поняли, главное, что авторитетный для них человек сказал, а если кто-то без подобного авторитета говорит, то бездумно выдается негативная оценка. Не может же обычный человек быть умнее меня, наверно он не прав. Вместо того, чтоб обдумать выданную информацию оценивают твою личность, твой авторитет. Да и милое дело пользоваться минусами, но запрещать о них говорить.
Fagot63
11.02.2017 13:03Спасибо тем людям, кто еще понимает юмор без тегов. И не давших утопить мой коммент.
choupa
07.02.2017 21:01+2Точности ради стоит заметить, что сказанное Итаном касается слабых гравитационных волн. Да, они распространяются со скоростью света и имеют две поляризации.
Но вообще говоря, гравитационные волны, в отличие от электромагнитных, нелинейны. Т.е. то что справедливо для слабой гравитационной волны, для сильной может оказаться не так. Строгих доказательств, что все конфигурации гравитационных волн движутся со скоростью света, нет.
Впрочем в случае сильной гравитационной волны возникает проблема определения, что есть скорость этой самой волны, т.к. само фоновое пространство (относительного которого и стоит считать скорость) искажается очень сильно.lavmax
07.02.2017 23:54само фоновое пространство (относительного которого и стоит считать скорость)
Эфир?
niknamezanat
08.02.2017 07:44Также как нет определения для электромагнитного поля, нет определения и для этой «ткани пространства». Это просто математические абстракции, которыми описывают реальность.
choupa
08.02.2017 13:31Что значит «нет определения»? Определение — это (по определению :) ) и есть абстракция — умозретельное аксиоматическое сопоставление словесной конструкции на каком-либо доступном языке (разговорном или математическом) реальному явлению.
Так что «математические абстракции», о которых вы говорите, это и есть определения электромагнитного поля или пространства-времени. Не понимаю, какого такого особенного «определения» вам не хватает.niknamezanat
09.02.2017 13:04Эфир не абстракция — а предположительная среда распространения эл.маг. волн, которую выкинули на свалку истории, такая же как вода и воздух для звука. Или вода и воздух — это тоже абстракция?
vanxant
08.02.2017 03:15Вообще, для гравитационных волн уместнее сравнение не с электромагнитными, а с акустическими. Ну там звук, вот это всё.
В частности, в норме звуковые волны (т.е. перепады давления) распространяются со скоростью звука в среде. Но скорость звука в конкретной точке сама по себе опосредовано зависит от давления. На гребне мощной звуковой волны давление и вслед за ним скорость звука чуть выше, во впадине волны — чуть ниже. Получается, что гребень движется чуть быстрее. а впадины притормаживают. В итоге синусоида по мере распространения превращается в «пилу», а сама волна становится ударной.
С гравитацией всё значительно сложнее, но такая аналогия всё равно намного лучше электромагнитной.
andrrrrr
07.02.2017 21:38а что насчет попыток создать самим грав.волны и уловить их детектором?
есть такие проекты?
расстояния будут гораздо меньше чем до космических черных дыр, следовательно массы нужны тоже меньше.
можно создать фазированную решетку и излучать направленно, по аналогии с радиоволнами.
сам излучатель может можно сделать по принципу вращающихся Ч.Д.
взять два массивных груза, и вращать их относительно друг друга. например на гибких тягах-тросах, или жестких, на шарнирах.
и можно будет даже модулировать сигнал, сближая или отдаляя их друг от друга.
или для такого нужны очень большие массы? но ведь и расстояния гораздо меньше чем до чёрных дыр…
какой величины должны быть вращающиеся массы, чтобы детектор уловил их с близкого расстояния?
lavmax
07.02.2017 23:56Мы с помощью километровых установок еле еле улавливаем гравитационные волны испускаемые двумя тяжеленными черными дырами. Как вы думаете есть такие проекты на Земле?
aleksandros
08.02.2017 10:33Я когда об этом читал всё поражался: как такое возможно?! По интерференции каких-то лазерных пучков определить источник этих волн во всей Галактике (или Вселенной, не помню уже). И хотя там никакого обмана, это выше моего понимания)
r00tGER
08.02.2017 13:51+1Источник предполагаемый, т.к. сейчас можно определить только область откуда пришла волна.
Shkaff
08.02.2017 01:52Интересно, но грав детекторы сами излучают грав волны уже сейчас:) Конечно, амплитуда их мизерна (тк пропорциональна массе зеркал в детекторах, которая очень мала), и несмотря на меньшее расстояние — все равно проблематично, уж больно разница в масштабах велика. Амплитуда пропорциональна квадрату массы и обратно пропорциональна расстоянию. Если масса зеркала примерно в 1030 меньше массы ЧД, а расстояние до ЧД скажем 1021 км, то чтобы иметь ту же величину сигнала, нам не хватает 39 порядков…
vanxant
08.02.2017 03:19Когда-то очень давно в журнале про юного техника писали про гипотетический проект излучателя гравитационных волн. В космосе нужно вырастить огромный кварцевый кристалл размером в тысячи километров и возбудить в нём автоколебания (точно так же работают тактовые генераторы в компах). Кристалл начнёт колебаться не только электрически, но и физически, т.е. двигаться, разумеется, ускоренно — и, соответственно, излучать гравитационные волны.
О реализуемости такого проекта на нынешнем уровне развития догадайтесь сами…
kauri_39
07.02.2017 22:12-2«Если вы уроните камень в реку, то рябь не просто будет распространяться наружу по радиусу. Она будет распространяться наружу, и одновременно её будет уносить течение реки. Примерно так же ведёт себя и гравитационная рябь на ткани пространства: волны перемещаются с такой скоростью, с какой они всегда перемещаются в среде – со скоростью света с – но иногда движется и среда.»
И тогда для удалённого наблюдателя, находящегося в системе отсчёта неподвижной среды, скорости волн — гравитационных или электромагнитных — складываются (или вычитаются) со скоростью движения среды. И как вселенский горизонт событий объясняется тем, что скорость движения расширяющейся среды за ним превышает скорость света, так и гравитационный горизонт событий чёрных дыр следует объяснять сверхсветовым движением среды от горизонта к сингулярности.
Это к вопросу о природе гравитации. Все минусы — Итану с его сравнением движущегося пространства-среды с водой реки, и Джеффу Штейнхауэру с его моделью гравитации ЧД как потока среды из атомов рубидия.
vKreker
07.02.2017 23:39А сама гравитация тоже распространяется со скоростью света? Почему тогда это никак не заметно на окружающем пространстве? Все выглядит так, как будто она распространяется мгновенно.
Например, если наше Солнце выдернуть вверх, строение солнечной системы примет форму конуса? Хотел этот вопрос Итану задать, да никак руки не дойдут.Shkaff
08.02.2017 01:54Суть в том, что выдернуть вверх мгновенно не получится:) Но даже если представить, что солнце исчезло, то искривление будет выпрямляться со скоростью света все равно.
Goodwinnew
08.02.2017 02:18В теории интересно.
Как бы проверить в реальности. Есть звезда. Вокруг звезды планеты по орбитам. Звезда накопила гелия и взорвалась, стала Новой. Т.е. три атома гелия образовали один атом углерода = масса звезды стала резко меньше (излишек массы ушел в энергию по формуле Эйнштейна). Что будет с планетой, орбита которой в 24 световых часах от звезды? Она сутки будет двигаться по старой траектории и только потом (когда «информация» об изменении массы звезды до нее доберется) начнет менять орбиту? Получается, что в гравитационных волнах спрятана огромная энергия, позволяющая отклонять траекторию целой планеты (а если таких объектов много) в течении длительного времени при отсутствии первоначального источника той же массы…
Выше задали похожий вопрос. Выдернуть солнце быстро не получится, но вот переход в состояние Новой. это быстрый процесс (взрыв) с потерей массы, которая преобразуется в энергию.choupa
08.02.2017 02:55+1Гравитацию в равной степени создаёт как масса, так и энергия. Поэтому дефект массы при термоядерной реакции никак не скажется на создаваемом звездой поле тяготения. Планета изменения гравитации не почувствует до тех пор пока высвободившаяся при взрыве энергия в виде излучения не покинет эту систему. В любом случае всё будет происходить непрерывно, никакое мгновенное «изъятия» массы-энергии, создающих гравитацию, из звезды невозможно.
aleksandros
08.02.2017 10:41На мой взгляд, лучше не говорить о спрятанной в ГВ энергии, так как это ещё больше запутывает), а лучше про задержку взаимодействия, инерцию своего рода.
dadyjo
08.02.2017 13:09Читал книжку про Теслу, в его представлениях материя была как пузырек воздуха в воде.
alhor
08.02.2017 14:48потом появится карпускулярно-волновой дуализм гравитации, потом найдут переносчиков, потом способы их накопления. Здравствуй, полдень XXI !
xxvy
Пара вопросов:
1. Проходит ли гравитационная волна сквозь другую чёрную дыру?
2. Испытывает ли отклонение при прохождении рядом с другой чёрной дырой?
Shkaff
1. Пройти насквозь горизонта событий — не может, поглотится
2. И отклоняется, и рассеивается, и дифрагирует. Короче, все как в классической волновой физике (с поправкой на квадрупольность волн).
xxvy
1. Т.е. если взять две чёрных дыры (ЧД1 и ЧД2) и поместить наблюдателя (Н) на одной линии с ними (не между ними), то наблюдатель не будет чувствовать гравитацию дальней ЧД?
ЧД1 -------ЧД2----Н
Shkaff
Статическое поле никуда не девается же, его будет чувствовать. Гравитационные волны — просто возмущение этого статического поля. И даже грав волны будет чувствовать — если, например, ЧД1 парная, происходит слияние, грав волны будут дифрагировать на ЧД2 и доходить до Н.
xxvy
Допустим ЧД1 колеблется (приближается и удаляется от ЧД2).
Будет ли чувствовать Н изменения грав поля как как обычную сумму полей двух ЧД с поправкой на расстояние до этих ЧД в каждый момент времени?
Или грав волны от ЧД1 будут дефрагировать вокруг ЧД2 и по пути к Н получится интерференционная картина из минимумов и максимумов? И таким образом Н может попасть в зону минимума и ничего не чувстовать? или наоборот, отодвинувшись чуть дальше вдруг попасть в зону максимума и испытывать вдвое большие возмущения, чем обычная сумма полей двух ЧД?
Shkaff
Статическое поле (медленно меняющееся) будет просто суммой двух.
ЧД1 не излучает гравволны сама по себе. Для этого нужен процесс с переменным ускорением: взрыв, слияние, ассиметрия и т.п. Если же ЧД1 это такой объект, то действительно — будет интерфернционная картина. Гравволны вполне аналогичны ЭМ волнам в этом смысле.
CaptainFlint
Если гравиволны отклоняются, то наблюдатель, по идее, вместо дальней чёрной дыры получит «чёрнодырное кольцо» из-за линзирования ближней дырой.
P.S. Хотя нет, не учёл, что только волны должны подвергаться линзированию. Странная, должно быть, картинка получится…
lavmax
Получается масса черной дыры увеличится в соответствии с поглощенной энергией? А масса ЧД, которая породила гравитационные волны уменьшится?
Shkaff
Именно так!
black_semargl
Волну порождает не что-то внутри ЧД — а её движение. Т.е. она затормозится и уменьшится релятивистская прибавка к её массе.
blackswanny
2. Должна, ведь черная дыра искривляет ткань пространства утягивая за собой волну