История открытия гравитационных волн*0

Нобелевская премия по физике за 2017 г. за открытие гравитационных волн[]

Ее получили американские физики Райнер Вайсс (Rainer Weiss), Кип Торн (Kip Thorne) и Барри Бэриш (Barry Barish), под руководством которых в США был реализован проект LIGO.

Гравитационное взаимодействие не точечное, оно по сечению между взаимодействующими поверхностями… а точечное представление всего лишь математическое упрощение , принятое Ньютоном для больших расстояний, но тупо до сих считаемое центральным, чтоб жизнь себе не усложнять выдумщикам от современной физики.

А по жизни мы не пятой точкой на стуле восседаем, а всей поверхностью заднего места, во—во задницей! и взаимодействуют атомы, а не точки!!

А вот без точечного упрощения, получается не только объяснить двугорбость, а и на корню похерить современную космологическую модельку.Гравитационная приливная волна от Луны используется на приливно-отливных электростанциях, в рыболовстве…в судоходстве. И не фиг чушь пороть про открытия…липовые. Эйнштейн со своей относительностью явный жулик от математики, а вот иже с ним и /или совсем без мозгов, а скорее комбинация.

Про методику Майкельсона и его интерферометр, да «опыты», сбацанные недоумками см.

http://fatyf.aiq.ru/morly-makelson.htm  так что новейшие интерферометры американских( LIGO) и других (Virgo) проектов по обнаружению выдуманных теоретиками от фонаря гравитационных волн, жутко модифицированные якобы(по части ликвидации тряски), по принципу действия все та же заморочка с «эфирным ветром» по сути, а по конструкции, да и описанным в статье очень уж с заметными недостатками(особенно с зависимостью от изменений магнитного поля самой Земли) то ничем от первых не отличаются и что измеряют—да скорее всего вариации гравитации самой земли и вариации ее магнитного поля, да хоть от молнии рядом, действующие индуктивно на элементы конструкции и соответствующий комплекс множества эффектов с этим связанных, перечислять долго, а защититься от изменения размеров конструкции архи сложно. А основной элемент конструкции для этих длинных интерферометров-сама земля матушка, и как она себя ведет на предмет сжатия и расширения и сдвиговых деформаций один бог знает, такие вещи, да на декларируемых умельцами частотах никто не исследовал..

В общем утопия.

Расчет гравитационного взаимодействия, осуществляемого на близких расстояниях обязано учитывать площадь поверхностей обращенных друг к другу тел, и сечение пространственной фигуры взаимодействия, да и на далеких расстояниях упрощение ни к чему хорошему не приводит.

Отступление.

Аномальное отклонение перигелия Меркурия обязано близости нахождения Солнца, а не теории Эйнштейна. И это малое расстояние просто обязывает отказаться от точечного представления, потому как масса Солнца распределена по огромной площади поверхности сферического тела и действует на собственный спутник дифференциально, а не из одной точки. Отношение диаметра Солнца к расстоянию до Меркурия равно приблизительно 1:50 в млн. км =0.02 сравним с отношением 0,009 Луна-Земля, и оказывается что приливное действие в два раза сильнее, а это означает, что и форма Меркурия(вид с полюса) не сферическая, а типа яйцо, со смещением массы. Неучет формы, неучтённое полярное сжатие Солнца, близость массы Солнца и оказывают влияние основное на поведение вращающегося тела и его орбиту.

Отклонение лучей света вблизи звезды(т.н. линзирование) обязано не теории Эйнштейна, а преломлению на его атмосфере(короне) и гелиосфере, выкидывающей с большой скоростью массу вещества в космос в виде солнечного ветра.

Продолжение.

Мало того, пересечение таких пространственных фигур чисто физически может нести в себе изменение такого взаимодействия. Аналогия наблюдается у двух других фундаментальных видов взаимодействия магнитного и электрического… Очень напрашивается и такое, гравитационное—есть совокупность этих двух, недостаточно изученных. Но вместо изучения—практикуются выдумки.

Отсутствие именного такого взгляда на сущность гравитационного взаимодействия у современной(официально-академической) физики привело к поощрению абсурдизма Сто и ОТО и построению на этой явно порочной базе пирамиды выдумок про радиус Шварцшильда, космологическую модель Фридмана, да деяния прочих деятелей, понятие «черных дыр», темной материи и темной энергии.

Применение?

Естественно, после огромных объявлений, сделанных из комплекса научных открытий, много людей не входящих в научное сообщество, интересуются, как они могут повлиять на них. Глубина открытия может потеряться, что, безусловно, касается и гравитационных волн. Но рассмотрим другой случай, когда Вильгельм Рентген в 1895 году обнаружил рентгеновские лучи, во время опытов с электронно-лучевыми трубками, мало кто знает, что только через несколько лет, эти электромагнитные волны станут ключевым компонентом в повседневной медицине от постановки диагноза до лечения. Аналогично, первым экспериментальным созданием радиоволн в 1887 году, Генрих Герц подтвердил известные электромагнитные уравнения Джеймса Клерка Максвелла. Только через время в 90-х годах 20-го века, Гульельмо Маркони, который создал радиопередатчик и радиоприемник, доказал их практическое применение. Также, уравнения Шредингера, описывающие сложный мир квантовой динамики находят применение сейчас в разработке сверхбыстрых квантовых вычислений.

Инженер ЛИГО оценивает загрязнение интерферометра

Все научные открытия полезны, и многие, в конечном счете, имеют повседневное применение, которое мы воспринимаем как должное. В настоящее время практическое применение гравитационных волн ограничивается астрофизикой и космологией – теперь у нас есть окно в «темной Вселенной», не видимой электромагнитному излучению. Без сомнения, ученые и инженеры найдут другое применение этим космическим пульсациям, помимо зондирования Вселенной. Тем не менее, для обнаружения этих волн, должны быть хорошие успехи в оптической технике в ЛИГО, в которых со временем будут появляться новые технологии.

Безусловно, обнаружение гравитационных волн – триумф человечества, который поможет изучить нашу Вселенную для будущих поколений. Это определенно золотой век для науки, в котором исторические открытия стали обычным делом. И у нас есть интеллектуальный потенциал для создания модели Вселенной, и чтобы экспериментально доказать нашу правоту.

Но для меня самое волнующее увидеть первые гравитационные карты космоса, где нанесены периодические гудения нейтронных звезд, и импульсивные извержения сверхновых, открывая новую Вселенную, полную космических волн.

Как обнаружили?

Идея проверки достаточно проста. Нужно взять два тела, крепко-накрепко прикрутить их к земле, между ними положить линейку, которая не зависит от гравитационных волн и смотреть на расстояние между телами. Если в какой-то момент мы увидим, что расстояние между ними изменилось, это означает, что либо земля усохла в размерах (или наоборот, разбухла), а потом восстановилась, либо изменилось пространство (точнее пространство-время) между этими двумя телами. Главная проблема — изменения расстояние от воздействия гравитационных волн столь незначительно, что измерить его чрезвычайно сложно ( порядок цифр 10 в -23 степени). Но в конце концов с использованием лазеров удалось получить то, что хотели.

Условная схема детектора гравитационных волн

На практике все реализовано чуть сложнее. Внизу снимки двух лабораторий LIGO, расположенных в США:

Есть две перпендикулярных вакуумных трубы (самый большой объем вакуума в мире), лазер, которые светит в призму. Призма расщепляет луч на два, и каждый идет в свою трубу. Если система остается в покое, то лучи отражаются, прилетают обратно и попадая в детектор взаимно гасятся. Если тела  сблизятся (или удалятся) друг к другу, то лучи пройдут разный путь, соответственно в детекторе уже не будет полного сложения и мы что-то увидим.

Чем сильнее воздействие, тем сильнее сигнал в детекторе. Сейчас планируется создать несколько таких лабораторий  по всему миру, чтобы благодаря расстоянию, лучше определять месторасположение источников гравитационных волн.

Откуда берутся гравитационные волны

Интересно, что событие, которое привело к образованию зафиксированных гравитационных волн, произошло примерно 1,3 миллиарда лет назад, а размер черных дыр, которые тогда столкнулись, был всего в 29 и 36 раз больше нашего Солнца.

Столкновение двух черных дыр вызывает образование гравитационных волн.

Если верить общей теории относительности — а поводов не верить ей становиться все меньше — пара черных дыр, которые вращаются друг вокруг друг друга, уже сами по себе излучают гравитационные волны и тратят на это очень много энергии.

Сближение черных дыр для столкновения происходит в течение миллиардов лет, но в последние минуты перед столкновением их скорость очень сильно вырастает. В итоге, они ускоряются настолько, что столкновение происходит на скорости равной примерно половине скорости света. Если вспомнить известную формулу, где E=mc2, становится понятно, почему высвобождается так много энергии, если в формуле фигурирует скорость и масса, да еще и в квадрате.

Кто выиграл миллион?

Неужели из-за того, что кто-то чихнул рядом с прибором все эти ученые теперь станут миллионерами? Возможно, так как данное открытие явно претендует на нобелевскую премию. А заодно и служит хорошим примером того, как в науке можно положить всю свою жизнь и умереть в неизвестности, если не повезет. Активные попытки поймать гравитационные волны начались в начале 90-х годов и с тех пор продолжались без особого успеха. Тем не менее правительство США финансировала эту затею, несмотря на отсутствие результатов. Шли годы, соседи делали свои открытия, зарабатывали бонусы и премии, а эти парни все сидели, стараясь улучшить свой измеритель. Жены опять же пилили наверное некоторых, родители и дети шкнили. Но наконец-то оно стряхнулось. Тот случай, когда терпение и труд вознаграждены.

С чем и хочется поздравить всех участников!

Кстати, уже можно начинать волноваться пенсионерам, скоро явно начнутся головные боли, выпадение волос и плохой сон младенцев из-за открытия этих самых  волн. И еще все тараканы вымрут. Опять.

Гравитационные волны: чем они могут быть полезны?

Итак, у нас есть подтверждение сигнала слияния черных дыр, и что с того? Это историческое открытие, что вполне понятно – 100 лет назад Эйнштейн не мог и мечтать об обнаружении этих волн, но это все-таки случилось.

Общая теория относительности была одним из самых глубоких научных и философских осознаний 20-го века и составляет основу самых интеллектуальных исследований в реальности. В астрономии применения общей теории относительности ясны: от гравитационной линзы до измерения расширения Вселенной. Но совсем не ясно практическое применение теорий Эйнштейна, но большая часть современных технологий используют уроки из теории относительности в некоторых вещах, которые считаются простыми. Например, возьмем спутники глобальной навигации, они не будут достаточно точными, если не применять простую корректировку замедления времени (предсказанного теорией относительности).

Совершенно ясно, что у общей теории относительности есть применение в реальном мире, но когда Эйнштейн представил свою теорию в 1916 году, её применение было весьма сомнительным, что казалось очевидным. Он просто соединял Вселенную, в такую, какой он её видел, так и родилась общая теория относительности. А сейчас доказан ещё один компонент теории относительности, но как могут быть использованы гравитационные волны? Астрофизики и космологи определенно заинтригованы.

«После того, как мы собрали данные от пар черных дыр, которые будут играть роль маяков, разбросанных по Вселенной»,- сказал физик-теоретик Неил Турок, директор Института Теоретической Физики в четверг во время видео-презентации.- «Мы сможем измерить скорость расширения Вселенной, или количество темной энергии с чрезвычайной точностью, намного точнее, чем мы можем сегодня».

«Эйнштейн разработал свою теорию с некоторыми подсказками природы, но основанной на логической последовательности. Через 100 лет, вы видите очень точные подтверждения его прогнозов».

Более того, событие 14 сентября имеет некоторые особенности физики, которые ещё нужно будет исследовать. Например, Ленер заметил, что из анализа сигнала гравитационной волны, можно измерить «вращение» или угловой момент слияния черной дыры. «Если вы долго работали над теорией, то должны знать что у черной дыры очень, очень особенное вращение»,- сказал он.

Образование гравитационных волн при слияние двух черных дыр:

По какой-то причине, конечное вращение черной дыры медленнее чем ожидается, указывая на то, что черные дыры сталкиваются на низкой скорости, или они были в таком столкновении, которое вызвало совместный угловой момент, противодействующий друг другу. «Это очень интересно, почему природа это сделала?»,- сказал Ленер.

Эта недавняя загадка, может вернуть к некоторым основам физики, которые не были учтены, но, что более интригующе, может обнаружить «новую», необычную физику, которая не укладывается в общую теорию относительности. И это выявляет другие применения гравитационных волн: так как они создаются сильными гравитационными явлениями, у нас есть возможность зондировать эту среду издалека, с возможными сюрпризами на пути. Кроме того мы могли бы объединить наблюдения астрофизических явлений с электромагнитными силами, чтобы больше понять строение Вселенной.

Изучение гравитационных волн

За изучение гравитационных волн даже присуждена нобелевская премия. Получили ее Джозеф Тейлор-младший и Рассел Халс. В 1976 году они обнаружили бинарную систему, в которой орбита пульсара постепенно снижалась со временем и при этом выделялось большое количество энергии. Они смогли доказать, что это и были гравитационные волны. Нобелевскую премию они получили в 1993 году за обнаружение пульсара и объяснение происходящего с ним.

Не надо путать объяснение факта существования гравитационных волн и их обнаружение. ЛИГО именно зафиксировала волны, то есть доказала, что все предыдущие открытия не были ошибкой.

Открытие было сделано далеко не с первой попытки и даже не первой версией ЛИГО. Пришлось сначала провести работы по модернизации до второй версии, которая была намного чувствительнее. Зато гравитационные волны после модернизации были открыты практически сразу, буквально при первом запуске.

Так же одной их причин гравитационных волн называют Большой взрыв.

Работы по модернизации проводились большим количеством исследовательских институтов и лабораторий со всего мира, включая США, Европу и даже Австралию. Изначально финансирование создания ЛИГО началось в 1992 году, хотя впервые подобный проект был предложен группой ученых еще в 1980 году. Многие признавали, что это был большой риск, но все равно верили, что они добьются результата.

На данный момент ЛИГО осуществляет исследования, используя огромное научное сотрудничество (LIGO Scientific Collaboration (LSC)). В группу исследователей входит более 1000 ученых из университетов 15 стран мира.

Многие из ученых, которые участвуют в исследованиях, считают открытие гравитационных волн началом новой эры, так как теперь область гравитационно-волновой астрономии стала реальна.

Открытие гравитационных волн позволяет человечеству приступить к исследованиям деформированных частей Вселенной. То есть тех объектов, которые сделаны из искривлений пространства-времени. Столкновение черных дыр и следы этого события являются только началом долгого пути. Главное, что теперь этот путь отрыт и можно идти по нему уверенной поступью.

А как же гравитация?

Гравитация и гравитационные волны это немного разные вещи. Сила гравитации колоссальная и давно доказана путем попадания яблока на голову Ньютону. Как получать из нее энергию уже понятно. Притяжение тел существует всегда, а вот гравитационные волны возникают только при движении с переменным ускорением.  Грубую аналогий можно провести с водой и камнями. Пока камень лежит в спокойной воде от него волн нет. А если камень плюхнулся — волны пошли, но постепенно они успокаиваются. На видео хорошо видно, что пока черные дыры крутятся парой практически (но не) равномерно, волн очень мало,  в момент столкновения происходит всплеск,  а потом  все успокаивается.

Значит две гигантских дыры столкнулись, а волны были всего 0.02 сек? Нет, волны шли значительно дольше, но  оборудование позволило зафиксировать только самый пик, выделить его на фоне общего шума, который набегает со всех сторон.

Почему Эйнштейн должен радоваться?

Хотя бы потому что он их предсказал в своей общей теории относительности. Косвенно гравитационные волны уже были доказаны, но поймать их за хвост до сих пор не удавалось. Немного погружу вас в эту тему (очень грубо и приближенно, потому что сам владею вопросом буквально по самым верхам). В современной физике есть большой разрыв — Теории относительности хорошо описывают поведение крупных объектов на околосветовых скоростях. В нашей повседневной жизни (скорости много меньше скорости света) вполне хватает и ньютоновской механики (классической механики). Для описания микромира, когда размеры объектов сравнимы с размерами атомов, ученые придумали квантовую механику. Проблема заключается в том, что теории Эйнштейна и квантовая механика друг с другом не склеиваются в один компот. Т.е. нет такой одной формулы, которая описывала бы  и поведение гигантской звезды  и движение протона. Одна из острейших проблем современной науки, как поженить эти две механики, которые определяют законы нашего бытия, несмотря на то, что не совсем совместимы друг с другом. Хотя может быть эта несовместимость как раз и объясняет весь наш человеческий дурдом? Для решения проблемы совместимости придумали всякие теории струн и т.п. В итоге додумались до какой-то квантовой гравитации, которая теперь, может быть, получит шансы на развитие.

Еще раз повторюсь, все вышенаписанное очень грубо и приближенно. Если в специальной теории относительности еще можно как-то разобраться, используя методы аналогий из окружающего нас мира, то ко всему последующему без мощного математического аппарата и умения представить в голове многомерный мир лучше не приближаться.

Как работает LIGO

В основе каждой из двух лабораторий LIGO используется Г-образные интерферометры длиной 4 километра с лазерными лучами, расщепляющимися на два луча, которые движутся туда-сюда внутри трубы. Ее диаметр составляет примерно 1,2 метра и внутри создан почти идеальный вакуум.

Если бы Альберт Эйнштейн сейчас, спустя сто лет после своего открытия увидел бы результаты исследований LIGO, он был бы рад, что оказался прав.

Пучки света нужны для того, чтобы можно было контролировать расстояние между зеркалами, которые расположены в разных концах интерферометра. Теория Эйнштейна гласит, что расстояние между зеркалами будет изменяться на бесконечно малую величину, когда между ними проходит гравитационная волна. Изменения расстояния не должны превышать одной десятитысячной протона. Их-то и надо зафиксировать. Ученые продолжают работать в этом направлении и о самых интересных их открытиях мы расскажем в нашем новостном Telegram-канале.

Обсерватории должны быть именно разнесены на большое расстояние, чтобы определить направление событий, которые и являются причиной гравитационных волн. Заодно так можно убедиться, что волны пришли именно из космоса и не связаны с местными явлениями.

Первое наблюдение гравитационных волн позволило ускорить строительство глобальной сети, состоящей из огромного количества детекторов. Они позволяют не только закрепить результат, но находить еще больше источников гравитационных волн. В будущем это действительно откроет новые возможности, но пока надо подождать и не мешать ученым работать.

Космическая интуиция

Этому событию сопутствовала удача, как и многим другим научным открытиям. ЛИГО является самым большими проектом, финансируемым Национальным Научным Фондом, который стартовал изначально в 2002 году. Оказалось, что после многих лет поиска неуловимого сигнала гравитационных волн, ЛИГО недостаточно чувствителен и в 2010 году обсерватории заморозили, на время работ международного сотрудничества по увеличению их чувствительности. Пять лет спустя, в сентябре 2015, родилась «улучшенная ЛИГО».

В то время, соучредитель ЛИГО и тяжеловес в теоретической физике Кип Торн был уверен в успехе ЛИГО, сказав BBC: «Мы здесь. Мы попали на поле большой игры. И вполне ясно, что мы приоткроем завесу тайны».- И был прав, через несколько дней после реконструкции, всплеск гравитационных волн прокатился по нашей планете, и ЛИГО было достаточно чувствительным, чтобы их обнаружить.

Эти слияния черных дыр, не считаются чем-то особенным; по приблизительным подсчетам такие события происходят каждые 15 минут где-нибудь во Вселенной. Но именно это слияние произошло в нужном месте (на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет) в нужное время (1,3 миллиарда лет назад) для улавливания его сигнала обсерваториями ЛИГО. Это был чистый сигнал из Вселенной, и Эйнштейн его предсказал, а его гравитационные волны оказались реальны, описав космическое событие, в 50 раз мощнее мощности всех звезд во Вселенной вместе взятых. Этот огромный взрыв гравитационных волн был записан ЛИГО, как высокочастотный сигнал с линейной частотной модуляцией, в то время, когда черные дыры, двигаясь по спирали, слились в одно целое.

Для подтверждения распространения гравитационных волн, ЛИГО состоит из двух наблюдательных станций, одна в Луизиане, другая в Вашингтоне. Чтобы исключить ложные срабатывания, гравитационно-волновой сигнал должен быть обнаружен на обеих станциях. 14 сентября результат был получен сначала в Луизиане, а через 7 миллисекунд в Вашингтоне. Сигналы совпали, а с помощью триангуляции, физики смогли узнать, что они возникли в небесном пространстве Южного Полушария.

Генерация гравитационных волн

Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени

Гравитационную волну излучает любая материя, движущаяся с асимметричным ускорением . Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна первой производной ускорения и массе генератора, то есть ~ . Однако если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь, этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m₁a₁ = − m₂a₂. Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они взаимно гасятся почти полностью. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения. Кроме того, для нерелятивистских излучателей в выражении для интенсивности излучения имеется малый параметр где  — гравитационный радиус излучателя, r — его характерный размер, T — характерный период движения, c — скорость света в вакууме.

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

• сталкивающиеся галактики (гигантские массы, очень небольшие ускорения),
• гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе). Как частный и наиболее интересный случай — слияние нейтронных звёзд. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости.

Гравитационные волны, излучаемые системой двух тел

Два тела, движущиеся по круговым орбитам вокруг общего центра масс

m₁m₂v << cr

Вследствие этого система теряет энергию, что приводит к сближению тел, то есть к уменьшению расстояния между ними. Скорость сближения тел:

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема Солнца и Юпитера. Мощность этого излучения примерно 5 киловатт. Таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел.

Гравитационный коллапс двойной системы

Любая двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию (как предполагается — за счёт излучения гравитационных волн) и, в конце концов, сливается воедино. Но для обычных, некомпактных, двойных звёзд этот процесс занимает очень много времени, много большее настоящего возраста Вселенной. Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Затем на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая по некоторым оценкам более 50 % от массы системы.