Влияет ли гравитация на свет. Триумф гравитации. Смотреть что такое "Гравитационное отклонение света" в других словарях
Свет и гравитация
После того как Эйнштейн в 1905 году сформулировал специальную теорию относительности, он понял, что теория была неполной по крайней мере по двум причинам. Во-первых, в ней утверждалось, что никакое физическое взаимодействие не может распространяться с большей скоростью, чем скорость света, а это противоречило теории тяготения Ньютона, согласно которой сила тяжести между удаленными объектами возникает мгновенно. Во-вторых, теория была справедлива только для движения с постоянной скоростью. Поэтому в течение следующих десяти лет Эйнштейн напряженно работал, стараясь сформулировать новую полевую теорию гравитации и распространить свою теорию относительности на движение с ускорением 1 .
Впервые он заметно продвинулся в конце 1907 года, когда работал над большой статьей о теории относительности для научного ежегодника. Как я говорил раньше, мысленный эксперимент со свободно падающим лифтом, в котором находится наблюдатель, привел его к осознанию принципа, гласящего, что локальные эффекты в ускоренной системе и системе, находящейся в гравитационном поле, неразличимы.
Человек в закрытом лифте без окон чувствует, что его ноги прижимает к полу, но он не в состоянии сказать, из-за того ли это происходит, что лифт в космическом пространстве ускоренно движется вверх, или из-за того, что лифт находится в состоянии покоя в гравитационном поле. Если он вынет монетку из кармана и отпустит ее, она в обоих случаях будет падать на пол с ускорением. А человек, который плавает в невесомости в закрытом лифте, не будет знать, парит ли он потому, что лифт находится в свободном падении, или потому, что завис в невесомости в космическом пространстве 2 .
Эти соображения привели Эйнштейна к формулировке “принципа эквивалентности”, которым он будет руководствоваться, когда будет работать и над созданием теории гравитации, и над обобщением специальной теории относительности. “Я понял, что смогу продолжить или обобщить принцип относительности, распространив его на движение в ускоренных системах, а не только в тех, которые движутся с постоянной скоростью, – позже пояснил он, – и считал, что таким образом я одновременно буду в состоянии решить проблему гравитации”.
Он понял, что так же, как эквивалентны инертная и гравитационная массы, эквивалентны и все инерционные и гравитационные эффекты, например “поле ускорения” и гравитационное поле. Он понял, что все они – проявления одного и того же явления, которое мы сейчас иногда называем инерционно-гравитационным полем 3 .
Как заметил Эйнштейн, одним из следствий этой эквивалентности является то, что гравитация должна искривить световой луч. Это легко показать, используя мысленный эксперимент с лифтом. Представьте себе, что лифт ускоренно движется вверх, а лазерный луч входит через небольшое отверстие в одной из стенок. К тому времени, как он достигнет противоположной стены, пятно окажется немного ближе к полу, поскольку лифт продвинулся вверх. Если бы вы нарисовали его траекторию при движении через кабину лифта, она оказалась бы изогнутой из-за ускоренного движения лифта вверх. Принцип эквивалентности требует, чтобы этот эффект был одинаковым, когда лифт движется ускоренно вверх и когда он находится в состоянии покоя в гравитационном поле. Таким образом, при прохождении через гравитационное поле луч света должен казаться искривленным.
За почти четыре года, прошедшие после формулировки этого принципа, Эйнштейн не очень продвинулся в этом направлении, поскольку его отвлекла проблема световых квантов, и тогда он сосредоточился в основном на ней. Но в 1911 году он признался Мишелю Бессо, что устал заниматься квантами и опять вернулся к теории гравитационного поля, которая должна помочь ему обобщить теорию относительности. Решение этой проблемы заняло у него еще почти четыре года, и кульминацией этих усилий стало создание гениальной теории в ноябре 1915 года.
В статье “О влиянии силы тяжести на распространение света”, которую он послал в Annalen der Physik в июне 1911 года, он вернулся к своей идее 1907 года и сформулировал ее в виде строгого принципа. “В статье, опубликованной четыре года назад, мы уже пытались ответить на вопрос, влияет ли тяготение на распространение света, – начал он. – Мы теперь еще раз убедились в том, что один из самых важных выводов указанной работы поддается экспериментальной проверке”. В процессе вычислений Эйнштейн предсказывает величину отклонения света, проходящего вблизи Солнца, его гравитационным полем: “Луч света, проходя мимо Солнца, будет отклоняться на 0,83 угловой (дуговой) секунды”.
И на этот раз он формулировал теорию из первых принципов и постулатов, а затем, пользуясь уравнениями этой теории, вычислял значения некоторых характеристик, которые экспериментаторы могли бы проверить в своих опытах. Как и прежде, он закончил свою статью рекомендацией поставить эксперимент: “Так как звезды в соседней с Солнцем области неба становятся видимыми при полных солнечных затмениях, это следствие теории можно сравнить с опытом. Было бы очень желательно, чтобы астрономы поставили такой эксперимент” 4 .
Эрвин Финлей Фрейндлих, молодой астроном из Берлинской университетской обсерватории, прочитал статью и загорелся идеей провести описанный эксперимент. Но это невозможно было сделать до тех пор, пока не произойдет затмение и не будет виден свет от звезд, расположенных вблизи Солнца, а подходящего затмения не предвиделось еще три года.
Тогда Фрейндлих предложил попытаться измерить отклонение света звезд, вызванное гравитационным полем Юпитера. Увы, Юпитер оказался недостаточно тяжелым для решения этой задачи. “Если бы только у нас имелась гораздо большая планета, чем Юпитер! – пошутил Эйнштейн в письме Фрейндлиху в конце этого лета. – Но природа не считает нужным облегчать нам работу по открытию ее законов” 5 .
Теория, согласно которой световые лучи могут искривляться, поставила некоторые интересные вопросы. Повседневный опыт показывает, что свет распространяется по прямой линии. Плотники и строители сейчас используют лазерные уровни для проведения прямых линий при строительстве домов. Если лучи света искривляются при прохождении через области изменяющегося гравитационного поля, как можно определить прямую линию?
Траекторию светового луча, проходящего через меняющееся гравитационное поле, можно представить в виде линии, проведенной на сфере или деформированной поверхности. В этом случае самым коротким путем между двумя точками окажется кривая линия – например, геодезическая, которая на нашей планете представляет собой большую дугу или большую окружность. Возможно, искривление луча света означает, что ткань пространства, через которое проходит световой луч, изгибается под действием силы тяжести. Кратчайший путь через область пространства, деформированную вследствие гравитации, может оказаться довольно сильно отличающимся от прямых линий в евклидовой геометрии.
Появился еще один намек на то, что, возможно, понадобится новый тип геометрии. Эйнштейну это стало очевидно, когда он рассмотрел случай вращающегося диска. Когда диск вращается, с точки зрения наблюдателя, не участвующего в движении, длина окружности, которую он описывает, сокращается в направлении его движения. Диаметр окружности, однако, не претерпевает никаких сокращений. Таким образом, отношение длины окружности диска к ее диаметру уже не будет равно п. В таких случаях евклидова геометрия неприменима.
Вращательное движение является одной из форм движения с ускорением, так как в каждый момент времени точка на окружности претерпевает изменение направления движения, а это значит, что направление ее скорости изменяется (то есть возникает ускорение). В соответствии с принципом эквивалентности, поскольку для описания этого типа ускорения требуется неевклидова геометрия, она же должна описывать и гравитацию 6 .
К сожалению, как видно по результатам экзаменов Эйнштейна в Цюрихском политехникуме, в неевклидовой геометрии он был не слишком силен. К счастью, в Цюрихе у него нашелся старый друг и одноклассник, который как раз хорошо ее знал.
Из книги Быть! автора Смоктуновский ИннокентийСВЕТ Детство - пора неосознанного богатства золотого запаса времени, пора игр, драк, сборищ и шалостей на пыльных улицах сибирского города, беззаботно-веселого катания с горы на санях или лыжах до испарины, до приятного утомления. Детство неразумное, когда азарт набить
Из книги Гамаюн. Жизнь Александра Блока. автора Орлов Владимир НиколаевичМУЗЫКА И СВЕТ
Из книги Зеркало моей души. Том 1. Хорошо в стране советской жить... автора Левашов Николай Викторович15. Учение - свет Постепенно у меня стали появляться пациенты и из Москвы. В Видное ко мне приезжали люди, как для лечения, так и за знаниями. Я охотно делился с людьми своим пониманием сути происходящего. По просьбе некоторых я стал заниматься и обучением. Одним из моих
Из книги На крыльях автора Аматуни Петроний ГайУчение - свет! …Весной 1934 года курсантов перевели в эскадрильи для обучения полётам. Петра Абрамова назначили в группу молодого инструктора Дядечко, воспитанника этой же школы.Инструктор попался требовательный. Решал всё быстро и, хотя обучал только первую свою группу,
Из книги Ильхам Алиев автора Андриянов Виктор ИвановичРубиновый свет 18 октября в Фонде Гейдара Алиева встречали гостей. Они пришли на церемонию вручения президенту фонда, Послу доброй воли ЮНЕСКО Мехрибан Алиевой ордена «Рубиновый крест» Международного благотворительного фонда «Меценаты столетия». Это знаменательное
Из книги Гюго автора Муравьева Наталья Игнатьевна«Свет, всегда свет!» (1873–1878) Летом 1873 года роман о революции закончен, и писатель возвращается в Париж. Туда зовет многое - и борьба за амнистию, и хлопоты, связанные с изданием книги, и, главное, тяжелая болезнь сына; надежды на его выздоровление уже нет.Франсуа Виктор
Из книги Стихотворения автора Дикинсон Эмили Элизабет«There is a certain slant of light…» Зимний свет, ты - тихий свет Зимний свет, ты - тихий свет, Ты - не ураган. В тех лучах уж много лет Чудится орган. Отойди, поберегись (Сердцем рвешься ввысь!) Металлический регистр Над тобой завис. Этот холод нам знаком: Только запоешь, Только
Из книги Записки русского изгнанника автора Беляев Иван ТимофеевичСвет и тени Пехота продолжает наступать по железной дороге в направлении Двинская - Екатеринодар. Мы охватываем расположение противника с севера, занимая станицу за станицей. Сейчас мы уже подходим к Новотитаровской.Наш игрушечный начальник конвоя, хорунжий К., вчера
Из книги Жизнь Леонардо. Часть четвертая.(с иллюстрациями) автора Нардини БруноСвет и тени Не удовлетворяясь изучением вод земных, океанских течений, волн морских и речных, маг Леонардо изучает и воды лунные.Он проводит целые ночи у окна, наблюдая за светлыми и темными участками Луны, и затем делает вывод, что более темные участки- твердые, а более
Из книги Андрей Сахаров как физик во всех сферах своей деятельности автора Альтшулер Борис Львович13. Фото с коллегами. Теоротдел, Матвей Бронштейн, квантовая гравитация и сталинские чистки На Рис. 24, 25 А.Д. Сахаров с коллегами на семинаре Теоротдела. Я хочу обратить внимание на присутствие Якова Львовича Альперта (стоит на Рис. 24), который в течение многих лет был
Из книги Неувядаемый цвет. Книга воспоминаний. Том 1 автора Любимов Николай МихайловичСвет присносущный …да воссияет и нам грешным свет Твой присносущный… Тропарь празднику Преображения
Из книги Память о мечте [Стихи и переводы] автора Пучкова Елена ОлеговнаСвет Ах, свет! Где был ты, пропадая? Смотрю вокруг – не угадаю… Что изменилось в мире этом? Вновь улица лучится светом. Огни вечерние, откуда Явились вы опять, как чудо? Все так знакомо мне… Но краски Как в новой самой яркой сказке. И вдруг – гармошка. Словно весь
Из книги Юрий Любимов. Режиссерский метод автора Мальцева Ольга НиколаевнаСвет Нет радостнее радости, чем свет. Все краски мира подаривший людям, Он нам сияет миллионы лет, И прославлять его всегда мы будем. Всем равно – и орлу и муравью, Ночному хищнику и робкой лани - Он силу животворную свою Раздаривает солнечным сияньем, И лишь меня
Из книги Таков мой век автора Шаховская Зинаида АлексеевнаСвет Световая партитура спектакля Час пик. Боженцкая – Н. Сайко; Боженцкий – Л. Филатов.Пластика актера, костюмы, маски, тени, сценография – все эти пластические элементы спектакля получают воплощение, когда сценическое пространство освещается. Конечно, свет в
Из книги Крутой маршрут автора Гинзбург Евгения Из книги автора15. И СВЕТ ВО ТЬМЕ На лесных командировках кроме повара, завхоза, дневальной и лекпома было еще одно влиятельное лицо. Очень привилегированное. Инструментальщик!Обычно он жил в отдельной хавирке, где всегда гудела раскаленная докрасна печурка. Работал инструментальщик
Всякое ускоренно движущееся тело, как утверждает теория Эйнштейна, испускает гравитационные волны. Мир вокруг нас заполнен ими, и в этом факте ничего не меняет то обстоятельство, что техника сегодняшнего дня еще не справилась с обнаружением этих волн. Ведь оттого, что четыреста лет назад человек и не подозревал о существовании радиоволн, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей, они не переставали излучаться звездами, просто земными предметами.
Нам не хватает только системы приборов, способной показать волны . Чтобы посылаемые радиостанцией электромагнитные колебания могли быть восприняты радиослушателями, их переводят в звуковые колебания. С одного «языка» техники на другой.
Гравитационные волны, говоря образно, новый незнакомый нам язык природы. Чтобы он был воспринят, надо сделать перевод, преобразование колебаний тяготения в механические или электромагнитные, например в световые. (А еще подобным научным исследованиям вовсе не помешает, например вложение денег , ведь инвестирование в науку всегда было очень перспективным).
Мне язык света кажется, во всяком случае, на первых порах, более удобным. А «переводимым текстом» могут послужить сравнительно мощные гравитационные волны, идущие к нам от рождающихся и двигающихся звезд и целых галактик.
При этом нужно использовать одно самое общее свойство, присущее гравитационной волне. Она является полем тяготения, а всякое поле тяготения влияет на распространение света. Это не только предсказано теорией относительности, но и вот уже сорок лет, как проверено на опыте и подтверждено.
Поле тяготения и перебрасывает мостик между гравитационной и световой волнами. Ведь всякое такое поле служит своего рода линзой, в которой луч света преломляется. Происходит его искривление и одновременно сдвиг фаз световой волны. Конечно, величина поля тяготения будет сравнительно мала, и искривление им луча практически заметить будет невозможно. Но вот сдвиг фаз обнаружить гораздо легче, тем более что прибор, способный отметить сдвиг фаз световой волны, уже существует. Это обычный (для физика, во всяком случае) интерферометр. В нем луч света от какого-то источника разделяется на два, проходящие разные расстояния и среды, а затем лучи совмещаются. Складываясь, оба луча дают так называемую интерференционную картину - чередования темных и светлых полос. При сдвиге фаз волны какого-либо из разделенных лучей эта картина смещается.
Теперь представим себе, что два взаимно перпендикулярных световых луча пересекутся с гравитационной волной. Всякая линза по-разному изменяет лучи, идущие через нее в разных направлениях.
Это относится и к линзе - полю тяготения. И вновь совмещенные два луча уже не совпадут полностью. Результат - смещение полос интерференционной картины. Смещение происходить будет редко - с частотой, равной частоте гравитационной волны. Но из расчетов следует, что чем меньше эта частота, тем лучше. Видимо, этим методом удастся обнаруживать волны, имеющие всего одно колебание в год, в пять, в десять, в сотню лет.
Смещение полос в интерференционной картине должно быть очень невелико, но физика владеет методами, с помощью которых можно измерять фантастически малые величины. Главная трудность не в том, чтобы заметить и измерить колебания, вызванные гравитационной волной, а в том, чтобы выделить их среди других колебаний - случайных. Всякого рода шумы заставляют интерференционную картину беспорядочно смещаться. Даже случайные колебания молекул будут вызывать смещения полос, большие, чем вызванные волнами тяготения. Нужно будет отделить «самозванцев» от истинных посланцев космоса.
Представьте себе, что вы находитесь в парке между четырьмя столбами с радиорепродукторами. По радио передается понравившаяся вам песня, и вы хотите записать слова постоянно повторяющегося припева. Это было бы не трудно, и хватило бы одного репродуктора, если бы у каждого столба не играл мощный шумовой оркестр. А теперь придется поставить у каждого столба по магнитофону, записать все звуки, а потом, сравнив четыре записи, отбросить все, что в них не совпадает, и выделить одинаковые для всех пленок слова припева. Если припев повторили не четыре или пять, а сто, тысячу раз, задача соответственно облегчается.
Ради припева никто не будет проделывать такую процедуру, но для обнаружения волн тяготения можно сделать и большее. Вместо одного интерферометра придется взять несколько и поставить их в совершенно одинаковые условия. Затем выделить колебания картин, одинаковые для всех интерферометров. Эти колебания и выдадут нам, наконец, гравитационные волны.
Перевод будет сделан - первый, приближенный, но очень важный. Важен здесь будет не только сам факт экспериментального подтверждения предсказаний Эйнштейна; волны, родившиеся при космических катастрофах, смогут сильно пополнить наши сведения об истории и строении мира.
Отыскивая пределы возможностей телескопа Хаббл, международная команда астрономов побила рекорд космической дистанции наблюдений, измерив свойства самой далекой галактики из ранее наблюдавшихся во Вселенной. Эта неожиданно яркая зарождающаяся галактика, названная GN-z11, видна такой, какой она была 13,4 миллиарда лет назад, всего лишь через 400 миллионов лет после Большого взрыва. Галактика GN-z11 расположена в созвездии Большой медведицы.
«Мы сделали наибольший шаг назад во времени, за пределы того, что мы считали возможным сделать с помощью телескопа Хаббл. Мы видим галактику GN-z11 в то время, когда возраст Вселенной составлял всего три процента от нынешнего». — пояснил главный исследователь Паскаль Оеш из Йельского университета.
Астрономы приблизились к первым галактикам, сформировавшимся во Вселенной. Новые наблюдения Хаббла приводят исследователей в ту область, которая, как считалось ранее, может быть достигнута только с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (его запуск запланирован на 2018 год).
Измерения дают убедительные доказательства, что некоторые необычные и неожиданно яркие галактики, ранее обнаруженные на изображениях Хаббла, на самом деле находятся на запредельных расстояниях. Ранее команда ученых оценила расстояние до GN-z11, определив ее цвет с помощью Хаббла и космического телескопа Спитцера. Теперь, впервые для галактики на такой экстремальной дистанции, команда использовала хаббловскую Широкоугольную камеру-3. Для точного измерения расстояния до GN-z11 свет был спектроскопически разделен на составляющие цвета.
Астрономы измеряют большие дистанции, определяя «красное смещение» галактики. Это явление — результат расширения Вселенной. Каждый далекий объект во Вселенной кажется удаляющимся от нас, потому что его свет растягивается в более длинные и более красные световые волны, проходя через расширяющееся пространство, чтобы достигнуть наших телескопов. Чем больше красное смещение, тем дальше галактика.
«Наши спектроскопические наблюдения показывают, что галактика дальше, чем мы первоначально думали, прямо на пределе расстояния, на котором Хаббл может наблюдать», — говорит Габриэль Браммер, соавтор исследования из Института космического телескопа.
До того, как астрономы измерили расстояние до галактики GN-z11, наибольшим расстоянием, измеренным спектроскопически, было красное смещение 8,68 (13,2 миллирада лет в прошлое). Теперь команда подтвердила для GN-z11 красное смещение 11,1, примерно на 200 миллионов лет ближе к Большому взрыву. «Это выдающееся достижение для Хаббла. Ему удалось побить все предыдущие рекорды расстояния, годами удерживавшиеся более крупными наземными телескопами», — говорит исследователь Питер ван Доккум из Йельского университета. — «Этот новый рекорд, скорее всего, устоит до запуска космического телескопа Джейма Уэбба».
Галактика GN-z11 в 25 раз меньше Млечного Пути, и в своих звездах содержит только один процент массы нашей галактики. Тем не менее, новорожденная GN-z11 быстро растет, формируя новые звезды примерно в 20 раз быстрее, чем наша галактика сегодня. Это делает экстремально далекую галактику достаточно яркой для астрономов, чтобы можно было провести детальные исследования с помощью телескопов Хаббла и Спитцера.
Результаты исследований дают удивительные ключи к разгадке природы ранней Вселенной. «Потрясающе, что такая массивная галактика существует всего лишь через 200 или 300 миллионов лет с момента начала формирования самых первых звёзд. Это требует очень быстрого роста, производства звезд с чудовищной скоростью, чтобы так быстро сформировалась галактика в миллиард солнечных масс», — поясняет Гарт Иллинворт, исследователь из Калифорнийского университета.
Эти открытия — увлекательный анонс к исследованиям, которыми займется космический телескоп Джеймс Уэбб после своего запуска в космос в 2018 году. «Это новое открытие показывает, что телескоп Уэбб наверняка обнаружит много таких молодых галактик, заглянув туда, где формируются первые галактики», — говорит Иллингворт.
В команду исследователей входят ученые из Йельского университета, Научного института космического телескопа и Калифорнийского университета.
На этом видео показано расположение галактики GN-z11 на видимом небосводе.
Своеобразный голубой пузырь, окружающий звезду WR 31a — это туманность Вольфа-Райе, межзвездное облако пыли, водорода, гелия и других газов. Такие туманности обычно имеют сферическую или кольцевую форму. Они возникают при взаимодействии быстрого звёздного ветра с внешними слоями водорода, выброшенного звездами Вольфа-Райе. Этот пузырь, сформировавшийся примерно 20 000 лет назад, расширяется со скоростью около 220 000 километров в час!
К сожалению, жизненный цикл звезды Вольфа-Райе продолжается всего лишь несколько сотен тысяч лет — мгновение в космических масштабах. Начиная свою жизнь с массой минимум в 20 раз больше солнечной, звезда Вольфа-Райе теряет половину своей массы менее чем за 100 000 лет.
И звезда WR 31a в этом случае — не исключение. В конце концов она закончит свою жизнь впечатляющей вспышкой , а выброшенное взрывом звёздное вещество станет основой для следующего поколения звёзд и планет.
Принцип гравитационного линзирования
Экспериментальные данные
Направления исследований
Как правило, гравитационные линзы, способные существенно исказить изображение фонового объекта, представляют собой достаточно большие сосредоточения массы: галактики и скопления галактик. Более компактные объекты, например, звёзды, тоже отклоняют лучи света, однако на столь малые углы, что зафиксировать такое отклонение не представляется возможным. В этом случае можно лишь заметить кратковременное увеличение яркости объекта-линзы в тот момент, когда линза пройдёт между Землёй и фоновым объектом. Если объект-линза яркий, то заметить такое изменение нереально. Если же компактный объект-линза излучает мало или же не виден совсем, то такая кратковременная вспышка вполне может наблюдаться. События такого типа называются микролинзированием. Интерес здесь связан не с самим процессом линзирования, а с тем, что он позволяет обнаружить массивные и невидимые никаким иным способом компактные тела.
Ещё одним направлением исследований микролинзирования стала идея использования каустик для получения информации как о самом объекте-линзе, так и о том источнике, чей свет она фокусирует. Подавляющее большинство событий микролинзирования вполне описывается предположением о примерной сферической симметрии обоих объектов. Однако в 2-3% всех случаев наблюдается сложная кривая яркости, с дополнительными короткими пиками, которая свидетельствует о формировании каустик в линзированных изображениях, см. например M. Dominik, Mon.Not.Roy.Astron.Soc. 353 (2004) 69 (astro-ph/0309581). Такая ситуация может иметь место, если линза имеет неправильную форму, например, если линза состоит из двух или более тёмных массивных тел. Наблюдение таких событий безусловно интересно для изучения природы тёмных компактных объектов. Примером успешного определения параметров двойной линзы с помощью изучения каустик может служить недавний случай микролинзирования OGLE-2002-BLG-069, описанный в статье astro-ph/0502018 . Кроме того, имеются предложения по использованию каустического микролинзирования для выяснения геометрической формы источника, либо для изучения профиля яркости протяжённого фонового объекта, и в частности для изучения атмосфер звёзд-гигантов.
См. также
- SDSSJ0946+1006 - система с двойными кольцами Эйнштейна.
Ссылки
- ЧЕРЕПАЩУК А.М. Гравитационное микролинзирование и проблема скрытой массы.
Гравитационные линзы в культурном контексте
- Линор Линза - Линза гравитационная - арт-имя русской художницы.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Гравитационное отклонение света" в других словарях:
Света нейтронной звездой (модель) Гравитационная линза массивное тело (планета, звезда) или система тел (галактика, скопление галактик), искривляющая своим гравитационным полем направление распространения излучения, подобно тому, как искривляет… … Википедия
Гравитация (всемирное тяготение, тяготение) (от лат. gravitas «тяжесть») дальнодействующее фундаментальное взаимодействие в природе, которому подвержены все материальные тела. По современным данным, является универсальным взаимодействием в том… … Википедия
Рассказ о детектировании гравитационных волн в лазерном интерферометре часто вызывает такой совершенно естественный вопрос:
Если гравитационная волна растягивает-сжимает пространство, то она также должна растягивать-сжимать и длину волны света. Получается, как расстояние между зеркалами, так и сама «измерительная линейка» изменяются пропорционально друг другу. Каким же образом интерферометр умудряется детектировать гравитационную волну?Кип Торн, с его полувековым опытом объяснения гравитационных волн и принципа их детектирования для самых разных аудиторий, говорит, что это вообще самый часто задаваемый вопрос на эту тему. В англоязычной литературе есть несколько публикаций, расписывающих ответ на этот «парадокс» на разном уровне, но на русском языке я что-то ничего не встретил. Поэтому я привожу пояснение здесь на максимально простом уровне, в общем-то пересказывая .
* * *
1. Для начала — один технический, но важный момент. Многие знают, что гравитация может влиять на темп хода времени (см. фильм «Интерстеллар») и, как следствие, на скорость света, измеряемую по часам постороннего наблюдателя (эффект Шапиро). Поэтому может возникнуть подозрение, что гравитационная волна растягивает не только пространство, но и время, и вообще делает прочие нехорошие вещи.К счастью, это не так. В поле гравитационной волны время течет как обычно и свет движется с неизменной скоростью. Так получается потому, что поле гравитационной волны допускает широкую свободу математического описания. Мы можем выбирать разные математические выражения для описания волны, но все они отвечают одной и той же физической ситуации. Это калибровочная симметрия, которую обычно рассказывают на примере электродинамики, но которая есть и для гравитации. Так вот, удобнее всего выбирать такое описание (т.е. такую калибровку), при котором никаких изменений ни со скоростью света, ни с течением времени не происходит. Все рассуждения и вычисления подразумевают обычно этот выбор.
* * *
2. Следующий шаг. Рассмотрим одно плечо интерферометра в какой-то момент до прихода волны. Пусть сквозь него прошла гравитационная волна. Только вместо настоящей волны, т.е. колебания метрики туда-сюда, мы возьмем максимально упрощенный случай: «гравитационную ступеньку», т.е. мгновенное изменение метрики, которое растягивает (тоже мгновенно) наше плечо на длину ΔL.- Маленькое отступление. Уже здесь начинаются тонкости. Растягивается — в какой системе координат? И значит ли это, что какие-то частицы чувствуют рывок и смещаются под действием этой силы? Ответ: растягиваются в исходной системе координат, где длины измеряются гипотетическим бесконечно жестким стержнем. В «свободно падающей» системе координат частицы, локально, никуда в пространстве не смещаются и никакого рывка не чувствуют. Увеличивается лишь дистанция между ними, вычисленная по исходной системе координат. Это тот же эффект, что и космологическое разбегание галактик по закону Хаббла.
Но только фишка в том, что световая волна — это не неподвижный стержень, с которым мы якобы сверяем длины. Интерферометр сверяет не длины, а фазы волн, прошедших по двум плечам. Интерферометру важно, сколько времени потребуется каждому гребню световых колебаний, чтобы дойти до зеркала и вернуться обратно. Поэтому да, сразу после прихода гравитационной ступеньки сигнал в интерферометре еще нулевой. Но затем растянувшийся свет летит дальше со своей неизменной скоростью, отражается и возвращается, но только пройти ему теперь нужно чуть большую дистанцию, чем в перпендикулярном плече. Поэтому за время прохода туда-обратно τ=2L/c сдвиг фаз в интерферометре вырастет с нуля до некоторого значения.
А после этого все будет еще проще. Новый свет, попадающий в интерферометр после гравитационной ступеньки, будет иметь ту же длину волны, что и раньше. Этот свет уже нерастянутый. Так получается потому, что свет нам выдает лазер, и он его выдает на неизменной частоте
светового колебания. Этот новый, нерастянутый свет идет по более длинному пути и, разумеется, тратит на это больше времени, чем свет в соседнем плече.
Если совсем кратко: интерферометр измеряет не длины, сравнивая их с растяжимой линейкой, а времена прохода до зеркала и обратно по показаниям хронометра, неизменного и единого для обоих плечей.
* * *
3. Теперь вернемся к более реалистичной гравитационной волне. Там плавное растяжение-сжатие пространства происходит одновременно с движением света. Но только времена этих двух процессов сильно разные: время прохода туда-сюда τ=2L/c (т.е. 30 мкс) намного меньше периода гравитационной волны T (несколько мс).Рассмотрим какой-то момент в процессе колебания, когда расстояние между зеркалами уже подросло и продолжает расти дальше. «Свеженькая» световая волна, влетевшая в интерферометр, еще имеет первоначальную длину волны. За то время, пока она слетает туда-сюда, длина волны чуть-чуть подрастет, но этот относительный рост будет слабее относительного удлинения плеча интерферометра — ведь это плечо удлинялось в течение долгого времени, порядка четверти периода грав.волны. Поэтому удлинением световой волны в работающем интерферометре можно пренебречь с точностью до малого параметра τ/T.
* * *
4. Для тех, кто хочет почитать подробнее, а также увидеть некоторые вычисления, вот список ссылок.- Изложение базируется на статье Peter R. Saulson,
