Какво представляват гравитационните вълни?

В понеделник (16 октомври 2017 г.) LIGO и Дева обявиха първото откриване на гравитационни вълни, произведени от сблъскване на неутронни звезди. Но какви са гравитационните вълни? Ето обяснение на Грен Иресън от Университета Нотингам Трент

За да разберем най-добре феномена, нека се върнем назад във времето след няколкостотин години. През 1687 г., когато Исак Нютон публикува своя Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, той мисли за гравитационната сила като привлекателна сила между две маси - било то Земята и Луната или два граха на плота на масата. Въпреки това естеството на това как се предава тази сила беше по-слабо разбрано по онова време. Всъщност самият закон на гравитацията не е изпитан, докато британският учен Хенри Кавендиш не направи това през 1798 г., докато измерва плътността на Земята.

Бързо напред към 1916 г., когато Айнщайн представи на физиците нов начин на мислене за пространството, времето и гравитацията. Въз основа на работата, публикувана през 1905 г., теорията на общата относителност се свързва, че това, което обикновено считаме за отделни образувания - пространство и време - в това, което сега се нарича „пространство-време“.

Пространството-времето може да се счита за тъканта на Вселената. Това означава всичко, което се движи, преминава през него. В този модел всичко с маса изкривява тъканта пространство-време. Колкото по-голяма е масата, толкова по-голямо е изкривяването. И тъй като всеки движещ се предмет се движи през пространство-време, той също ще следва изкривяванията, причинени от обекти с голяма маса.

Един от начините за мислене за това е да се разгледа две деца, едно по-тежко от другото, да играят на батут. Ако третираме повърхността на батута като тъканта, тогава по-масивното дете изкривява тъканта повече от другото. Ако едно дете постави топка близо до краката на другото, то топката ще се търкаля или ще следва изкривяването към краката им. По същия начин, когато Земята обикаля Слънцето, огромната маса на слънцето изкривява пространството около него, оставяйки нашата сравнително малка планета, следваща „прав” път, колкото може, но в извито пространство. Ето защо тя завършва около орбитата на слънцето.

Батути: забавни и образователни. Изображение чрез cotrim / pixabay.

Ако приемем тази проста аналогия, тогава имаме основите на гравитацията. Преминаването към гравитационните вълни е малка, но много важна стъпка. Нека едно от децата на батута издърпа тежък предмет по повърхността. Това създава пулсация на повърхността, която може да се наблюдава. Друг начин да го визуализирате е да помислите за преместване на ръката си през вода. Пулсациите или вълните се разпространяват от своя произход, но бързо гниет.

Всеки предмет, движещ се през тъканно време, причинява вълни или пулсации в тази тъкан. За съжаление, тези пулсации също изчезват доста бързо и само най-насилствените събития предизвикват изкривявания, достатъчно големи, за да бъдат открити на Земята. За да направим това перспективно, две сблъскващи се черни дупки, всяка с маса десет пъти по-голяма от нашето слънце, биха довели до вълна, предизвикваща изкривяване на 1% от диаметъра на атом, когато достигне Земята. В този мащаб изкривяването е от порядъка на 0, 0000000000001m промяна в диаметъра на Земята в сравнение с 1m промяна поради приливна издутина.

За какво могат да се използват гравитационните вълни?

Като се има предвид, че тези пулсации са толкова малки и толкова трудни за откриване, защо сме положили такива усилия да ги намерим - и защо трябва да се грижим да ги забележим? Две непосредствени причини ми идват на ум (ще оставя настрана собствения си интерес просто да искам да знам). Едното е, че те са били предсказани от Айнщайн преди 100 години. Следователно потвърждаването на гравитационните вълни осигурява допълнителна силна наблюдателна подкрепа за неговата обща теория на относителността.

Освен това потвърждението може да отвори нови области на физиката, като гравитационно-вълновата астрономия. Изучавайки гравитационните вълни от процесите, които ги излъчват в този случай две сливащи се черни дупки, можем да видим интимни подробности за насилствени събития в Космоса.

LISA, планиран космически лазерен интерферометър, би могъл да проучи подробно астрофизичните източници на гравитационни вълни. Изображение чрез НАСА.

Въпреки това, за да се възползвате максимално от такава астрономия, най-добре е да поставите детектора в космоса. Земната базирана LIGO успя да улови гравитационни вълни с помощта на лазерна интерферометрия. Тази техника работи чрез разделяне на лазерен лъч в две перпендикулярни посоки и изпращане на всеки дълъг вакуум тунел. След това двете пътеки се отразяват обратно чрез огледала до точката, в която са започнали, където е поставен детектор. Ако вълните са нарушени от гравитационни вълни по пътя си, рекомбинираните лъчи биха били различни от оригиналните. Въпреки това, космическите интерферометри, планирани за следващото десетилетие, ще използват лазерни оръжия, простиращи се до милион километра.

Сега, когато знаем, че те съществуват, надеждата е, че гравитационните вълни могат да отворят вратата за отговор на някои от най-големите мистерии в науката, като например от какво е съставена по-голямата част от Вселената. Само 5% от Вселената е обикновена материя, като 27% са тъмна материя, а останалите 68% са тъмна енергия, като последните две се наричат ​​ dark, докато ние не разбираме какви са те. Гравитационните вълни може да осигурят инструмент, с който да изследваме тези мистерии по подобен начин, по който рентгеновите и ЯМР ни позволиха да изследваме човешкото тяло.

Грен Иресън, професор по научно образование, координатор на научните изследвания в училището за образование, Университета Нотингам Трент

Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation. Прочетете оригиналната статия.

Компютърна симулация на две сливащи се черни дупки, произвеждащи гравитационни вълни. Изображение чрез Вернер Бенгер.

Долна линия: Обяснение на гравитационните вълни.