Особенности расчетов гравитационных волн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности расчетов гравитационных волн

Битар А.Х.

Научный руководитель: Головкина М.В.

Предпосылки Ньютона:

Большая часть работ Эйнштейна, включая и предсказание гравитационных волн, была основана на теории гравитации Ньютона.

Наблюдения Ньютоном природы вели его к открытию закона гравитации. Он понял, что сила, которая тянет яблоки к земле, может быть той же, что держит луну, движущуюся вокруг земли. Ньютон понял, что должна быть сила притяжения между всеми массами, и он назвал ее сила тяготения.

Из своих наблюдений, Ньютон заметил, что все объекты притягиваются друг к другу. Сила тяготения является большей для больших масс, и уменьшается по мере удаления объектов друг от друга, так как объекты на больших расстояниях не влияют друг на друга.

Он назвал этот закон законом гравитации.

Хотя теория Ньютона объяснила, следствие воздействия гравитации, вопрос о том за счет чего она действует оставался тайной в течение следующих 300 лет.

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления - орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. В античные времена Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью

Гравитация - это следствие искривления пространства и времени телами, имеющими массу. Слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях и все массы положительны, это, тем не менее очень важная сила во Вселенной Гравитационные волны по Эйнштейну и Теории Относительности:

Согласно ей, любое тело, обладающее массой, искривляет единое временно-пространственное "полотно" - и чем больше масса, тем сильнее оно будет искривлено. Согласно теории относительности, брошенный камень не притягивается к Земле и летит неизменно по прямой линии - само пространство искривляется так, что по мере затухания импульса он втыкается обратно в Землю. А вращаясь, массы закручивают пространство и время вокруг себя целыми спиралями, как на водосточных сливах. Поэтому спутники вращаются вокруг планет, планеты вокруг звезд, звезды вокруг галактических центров - и так до бесконечности.

Для того чтобы понять, откуда берется гравитационная энергия, рассмотрим базовую

формулу Специальной теории относительности Эйнштейна - [E=mcІ].

E тут - это кинетическая энергия тела; затраты силы, нужные для ускорения какого-либо объекта из состояния покоя. Однако в механике теории относительности оказалось, что энергия нужна даже для того, чтобы тело не двигалось! Соответственно этим положениям, любая масса подразумевает наличие в ней потенциальной энергии. Практический выход теории взаимовместимости энергии и массы нашелся в ядерной физике - относительно неподвижные, но зато тяжелые уран и плутоний создают громадное количество энергии в реакторах и бомбах.

Первоначально вся эта концепция существовала только в виде математических уравнений в тетрадях Эйнштейна. Тогда, в начале XX века, сложно было найти какие-то подтверждения этой теории. Но сейчас теория гравитационного искажения пространства используется даже в быту. Навигационная технология GPS, вшитая во все современные телефоны, работает по принципу сверки высокоточных часов наземного устройства и спутника. Поэтому на спутнике часы искусственным образом замедляются - ведь на телефоне, который находится на поверхности Земли, ближе к гравитационному центру, время идет заметно медленнее!

Других подтверждений искажения пространства и времени гравитацией уйма:

это гравитационное линзирование, во время которого массивные объекты искажают очертания звезд за ними, иинфракрасное смещение световых волн, тоже сперва открытое "на бумаге". Эти феномены не пылятся в кладовках человеческого знания - с их помощью выясняются истинные цвета и очертания удаленных объектов, а также разрабатываются технологии будущих межзвёздных путешествий.

Мы уже знаем, что двигаясь и вращаясь, массивное тело создает искажение времени и пространства - и чем быстрее тело движется и/или вращается, тем сильнее итоговое искажение. Тут действует закон, характерный также для электрических и магнитных полей: если скорость движения будет непостоянной, будут создаваться волны. Только гравитационное волны - это не просто колебания энергии, но и колебания времени и пространства. Образно говоря, на гребне волны предметы и минуты сжимаются, становятся короче, а на скате - разглаживаются, приходят в порядок. Эти пространственно-временные волны и есть выход той гравитационной энергии, о которой говорилось выше. Однако для их появления остается одно необходимое условие - переменная, непостоянная скорость элементов гравитационной системы. А это встречается достаточно редко. Как и привычные нам волны, скорость распространения их зависит от "упругости" среды, через которую они путешествуют. В данном случае такой средой выступает само пространство-время, а гравитационные волны путешествуют со скоростью света.

В этом нет ничего удивительного, здесь нет чудесных совпадений. Скорость света на самом деле никак не зависит от света. Это скорость причинности - свойство пространства-времени, глубоко зашитое в саму его природу.

Гравитационные волны в наше время:

Для начала нужно понимать, откуда гравитационные волны могут появиться. Самые мощные их источники - это либо сближающиеся нейтронные звезды или черные дыры, которые перед коллапсом вращаются друг вокруг друга на сумасшедших скоростях, либо мощнейшие взрывы сверхновых. гравитация относительность нейтронный

Рис.1-Сближение нейтронных звезд.

Но есть проблема.

Даже если мы возьмем потенциальное столкновение двух массивных черных дыр, которые мы бы смогли увидеть, результирующие колебания пространства-времени на Земле имели бы порядок 10^-21. Так что, например, ваш рост менялся бы менее, чем на одну миллионную часть радиуса протона.

Как следствие, это делает обнаружение гравитационных волн, даже самых мощных, очень тонкой задачей, требующей невероятной точности.

Конечно, случись коллапс черных дыр относительно недалеко от Земли, эффект был бы сильнее. Но события, приводящие к мощным гравитационным волнам, происходят в отдельно взятой галактике раз в сотни тысяч лет. Поэтому можно надеяться увидеть только эффекты от далеких событий, произошедших в других галактиках за сотни миллионов световых лет.

Именно из-за сложности эксперимента гравитационные волны остаются последним предсказанием Общей Теории Относительности.

Но 11 февраля 2016 года официально было объявлено об обнаружении гравитационных волн.

Но как можно заметить изменения в длине в миллионную долю ширины протона? Как и многие проблемы в физике, эта решается с помощью лазеров.

Инструмент LIGO, построенный специально для такого эксперимента, представляет собой огромный интерферометр Майкельсона-Морли.

Рис.2-LIGO(Огромный интеферометр Майкельсона-Морли)

Это результат 25-ти лет кропотливой работы и вложение 650-ти миллионов долларов.

Рис.3-LIGO(Схематическое изображение работы интерферометра Майкельсона-Морли)

Этот прибор представляет из себя 2 перпендикулярные вакуумные трубы, длинной 4 километра, на концах которых крепятся зеркала.

Луч лазера расщепляется на 2 пучка, которые направляются на зеркала по трубам, отражаются и, вновь соединяясь друг с другом, попадают на детектор.

Длины подобраны так, что в спокойном состоянии лучи лазеров при воссоединении гасят друг друга, но когда проходить гравитационная волна, одна труба сжимается, другая растягивается, лучи проходят другое расстояние, компенсация становится неполной и это улавливает детектор. Причем речь идет о невероятных изменениях длины- в тысячи раз меньше атомного ядра.

Гравитационные волны регистрируются со всех направлений, ведь гравитация ничем не экранируется, она совершенно спокойно проходит сквозь Землю.

Вывод: Зачем нужны гравитационные волны?!

В первую очередь, это невероятно точное подтверждение Общей Теории Относительности Эйнштейна. Существование гравитационных волн вытекает прямо из формул и физики очень переживали, что не могли более 50-ти лет их обнаружить.

С помощью гравитационных волн можно более детально исследовать черные дыры, ведь раньше мы их судили только лишь по веществу, которое их окружает. А гравитационные волны рождаются почти у их поверхности.

Также у ученых появился новый способ изучения Вселенной. Если раньше на вооружении были только оптические телескопы, радио, рентгеновские обсерватории - все это электромагнитные волны. Сейчас же добавились совершенно новые явления гравитационные волны

Литература

1. Что такое гравитационная волна ? [Электронный реcурc]. - Режим доcтупa: http://fb.ru- зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 20.03.2018).

2. Ваш гид в мире космоса [Электронный реcурc]. - Режим доcтупa: .http://spacegid.com- зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 20.03.2018).

3. Что вы должны знать о гравитационных волнах? [Электронный реcурc]. - Режим доcтупa: http://v-kosmose.com- зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 20.03.2018).

Размещено на Allbest.ru