Ѕеседа с физиком дэниелом кеннефиком об эйнштейне и природе гравитационных волн

јвтор:
kaa
ѕечать
дата:
23 феврал€ 2016 17:38
ѕросмотров:
687
 омментариев:
0
Ѕеседа с физиком дэниелом кеннефиком об эйнштейне и природе гравитационных волн


"√равитационных волн нет...", "...плоские гравитационные волны, путешествующие вдоль положительной оси X, могут быть, следовательно, обнаружены...", "...гравитационные волн не существует...", "...существуют ли гравитационные волны?", "...выходит, существуют строгие решени€..." - это слова јльберта Ёйнштейна. 20 лет он увиливал от признани€ гравитационных волн, не понима€, подтверждает или исключает их его революционна€ обща€ теори€ относительности 1915 года. ѕри всей концептуальной элегантности этой теории, котора€ св€зала гравитацию с эффектом искривлени€ "пространства-времени", ее математическа€ сторона была неверо€тно сложной. Ётот вопрос был решен раз и навсегда на позапрошлой неделе, когда ученые из обсерватории Advanced LIGO (Advanced Interferometer Gravitational-Wave Observatory) сообщили об обнаружении гравитационных волн, родившихс€ в результате сли€ние двух черных дыр в миллиарде световых лет от нас...

ƒэниел  еннефик, физик-теоретик из ”ниверситета штата јрканзас, начал свою карьеру в качестве аспиранта, работающего с соучредителем LIGO  ипом “орном над этим доказательством общей теории относительности. ќчарованный спорной историей исследований гравитационных волн,  еннефик начал с истории; в 2007 году он написал книгу "ѕутешеству€ со скоростью мысли: Ёйнштейн и поиск гравитационных волн", а в прошлом году стал соавтором An Enstein Encyclopedia, энциклопедии, посв€щенной великому ученому.  еннефик рассказал, куда направл€ютс€ теоретики с новым открытием.

Ќасколько потр€сающим стало дл€ вас объ€вление позапрошлого четверга?

я не мог поверить в это чудо. ¬еликолепно, учитыва€ противоречивую историю этой области, что неопровержимое обнаружение все же нашло место. »м не пришлось раскапывать сигнал из шума, как ожидали многие из нас; вы можете увидеть данные собственными глазами. — точки зрени€ теоретика, можно считать неверо€тным то, что теоретические предсказани€ оказались настолько близкими к реальности. —игнал имел место, ровно с той формой волны, как и предсказывалось, от сли€ни€ двух черных дыр.

 ак бы вы описали историю гравитационно-волновых исследований, которые привели нас к этому моменту?

Ќесомненно, у всех были сомнени€ - тому причиной была сери€ противоречий. —амое крупное сомнение было в существовании гравитационных волн. —уществуют ли они? ѕеренос€т ли энергию? —уществуют ли в том виде, в каком мы сможем их обнаружить? »ли более онтологически: что такое реальность? ¬ы что-то измер€ете или обманываете сами себ€?

» так было с самого начала. ѕервое упоминание гравитационных волн мы получили от Ёйнштейна: он сказал, что их не существует. √равитационные волны были смелой, дерзкой идеей, котора€ начала волновать умы людей еще 100 лет назад, но с тех пор нас не покидало чувство неопределенности.  ак только мы отвечали на один вопрос, по€вл€лс€ новый.

 ак фраза в названии вашей книги - "путешеству€ со скоростью мысли" - подчеркивает эту неопределенность?

 огда Ёйнштейн написал свою работы (с предсказанием гравитационных волн) в 1916 году, он думал, что обнаружил три разных вида гравитационных волн. ƒо этого, в том же году, когда он думал, что волн не существует, он использовал неправильную систему координат. ѕо предложению коллеги, он перешел к другой системе координат, и она позволила ему четче разгл€деть, что волны были. Ќо сама координатна€ система была "волнистой", и вы€снилось, что две волны были на самом деле плоским пространством в волнистой системе координат; тогда Ёйнштейн волн просто не увидел.

јнглийский астроном и физик јртур —тэнли Ёддингтон откликнулс€ на работу Ёйнштейна в 1922 году и заинтересовалс€ вопросом: движутс€ ли гравитационные волны со скоростью света? ќтветом было: да, разумеетс€. Ёддингтон проделал расчеты, чтобы убедитьс€ воочию, и пон€л, что два других типа волн, побочных, могут двигатьс€ со скоростью, зависимой от вашей системы координат, и сказал, таким образом, что эти ложные волны "движутс€ со скоростью мысли". Ёто прелестна€ фраза, поскольку она отражает скепсис - "путешествие на скорости мысли" это из области несуществующего. — другой стороны, она отражает важность скепсиса, ведь, в конце концов, есть только один, а не три типа гравитационных волн.

» тогда Ёйнштейн снова передумал и в 1936 году за€вил, что гравитационных волн не существует. „то произошло?

Ёйнштейн и его ассистент Ќатан –озен искали точное (а не приблизительное) решение гравитационных волн и наткнулись на проблему. Ќезависимо от того, как они пытались выстроить систему координат, они всегда находили "сингул€рность" где-то в пространстве-времени. —ингул€рность означает место, в котором мы не можем назначить номер величины волны. “еперь же вы€снилось, что эта сингул€рность была лишь сингул€рностью координат; нет такой проблемы у гравитационных волн.

Ѕеседа с физиком дэниелом кеннефиком об эйнштейне и природе гравитационных волн


ѕредставьте —еверный полюс. ≈сли € спрошу вас, какова долгота —еверного полюса, вы скажете: что ж, все линии долготы проход€т через —еверный полюс. Ќаша измерительна€ система просто ломаетс€, но это не значит, что —еверного полюса не существует или что вы не можете туда отправитьс€. ‘изически он существует. ѕоэтому Ёйнштейн и –озен были озадачены. ќни думали, что раз выходит сингул€рность, это указывает на то, что гравитационных волн не существует. ѕоэтому им пришлось написать эту работу и отправить в Physical Review. јрбитраж написал 10-страничный отчет о возможной ошибке и отправил обратно Ёйнштейну. “от так рассердилс€, что просто сн€л работу с публикации.

» некоторые люди заговорили, что даже если гравитационные волны существуют, их невозможно уловить.

¬ 1955 году Ќатан –озен попыталс€ доказать, что гравитационные волны не перенос€т энергию, поэтому €вл€ютс€ формально математическим конструктом без физического значени€. „тобы пон€ть, представьте себе, что вы в океане, и океан сильно качает, но вы можете даже не ощутить этого, поскольку вы поднимаетесь и опускаетесь вместе с волной, а вместе с вами и все вокруг. ≈сли гравитационные волны сравнить с глубоководной океанской качкой, будут ли они вли€ть на нас или же мы (и все вокруг) будем двигатьс€ в унисон с этими волнами? ¬от об этом сильно спорили в 50-х.

» как был решен этот вопрос?

јргумент –озена был подн€т на конференции в 1957 году в „апел-’илл, и весьма удачно некто по имени ‘еликс ѕирани также оказалс€ на конференции. ќн решил взгл€нуть на работу общей теории относительности, использу€ очень практический подход, который миновал всю эту проблему с системой координат, и показал, что волны могут двигать частицы вперед и назад по мере прохождени€.

¬олна


–ичард ‘ейнман услышал речь ѕирани и сказал как-то так: "„то ж, раз мы знаем, что частицы движутс€, нам достаточно представить палку, а на палку поместить несколько шариков.  огда волна проходит, шарики будут двигатьс€ вперед и назад, но палка будет оставатьс€ жесткой, поскольку электромагнитные силы в палке будут пытатьс€ удерживать атомы и электроны в том же положении, где они и были ранее. «начит, шарики будут скользить по палке, а трение будет производить энергию. » эта энерги€ должна братьс€ от гравитационной волны. —ледовательно, эта волна обладает энергией". ≈го знаменитый мысленный эксперимент с "липкими шариками" убедил кучу людей в том, что причин дл€ скепсиса –озена просто нет. » тогда люди вроде ƒжо ¬ебера решили попытатьс€ обнаружить гравитационные волны.

Ќо люди так и не знали никаких астрофизических источников гравитационных волн, которые были бы достаточно сильными, чтобы их можно было обнаружить, верно?

¬ерно. Ёйнштейн писал, что вр€д ли кто-то найдет систему, на поведение которой будут значительно вли€ть гравитационные волны. ќн указывал, что волны обычной бинарной системы звезд перенос€т так мало энергии, что мы никогда не заметили изменени€ в такой системе - и это правда. ѕричина, по которой мы видим две черные дыры, в том, что они ближе друг к другу, чем могут быть две звезды. „ерные дыры маленькие и массивные, поэтому могут оказатьс€ близко друг к другу и вращатьс€ очень и очень быстро. ѕоскольку Ёйнштейн не верил в существование черных дыр, он не подозревал и о существовании системы, котора€ позволила бы нам увидеть гравитационные волны.

 арл Ўварцшильд обнаружил решение черных дыр дл€ уравнений Ёйнштейна в 1916 году, в том же году, когда Ёйнштейн предсказал гравитационные волны. ѕочему же тогда Ёйнштейн не поверил в черные дыры?

” черных дыр и без того весьма сложна€ и противоречива€ истори€, и обнаружение LIGO - по сути, первое полное доказательство существовани€ черных дыр. ¬ 1916 году Ёйнштейн думал, что Ўварцшильд нашел физическое упрощение: точно так же, как можно было бы рассматривать «емлю точечной массой (с ее массой, сосредоточенной в точке) дл€ простоты, они решили, что "решение Ўварцшильда" - сегодн€ мы зовем это черной дырой - считает —олнце точечной массой дл€ удобства. ќни не считали возможной концентрацию массы в точке. ќни думали, что это невозможно, возмутительно.   1930-м годам до людей начало доходить: "ј знаете, непон€тно, кака€ теори€ могла бы этому преп€тствовать". ѕостепенно, люди вроде –оберта ќппенгеймера, знаменитого директора Ћос-јламосской лаборатории ћанхэттенского проекта, начали изучать, что будет со звездой, если она начнет коллапсировать, пока не станет чем-то похожим на шварцшильдское решение. ¬ 1960-х годах группа ƒжона ”илера, в которой был также  ип “орн, и другие разработали теорию черных дыр.

Ѕеседа с физиком дэниелом кеннефиком об эйнштейне и природе гравитационных волн


 ак люди потом вы€снили, на что будут похожи гравитационные волны, произведенные сливающимис€ черными дырами, на «емле?

 лючевой проблемой было включить условие, что нет никаких волн, приход€щих в систему бинарных черных дыр из бесконечного далека - лишь волны, которые выход€т в бесконечность. Ќо сделать это сложно, поскольку вам нужен принципиально другой математический формализм, чтобы описать очень далекое гравитационное поле - в "бесконечности" или где-то здесь, на «емле - в отличие от того, с помощью которого описывают сами черные дыры. Ќекоторые пытались провести эти расчеты в 50-х и 60-х, но получали некорректные ответы. ¬ некоторых случа€х, они получали ответ, по которому черна€ дыра получает энергию, а не тер€ет ее, поскольку делали ошибку и вход€щие волны у них приносили энергию из бесконечного далека.

¬ 60-х годах –оджер ѕенроуз, великий английский рел€тивист, изучал структуру пространства-времени. » открыл, что на границе пространства-времени есть больше, чем одна бесконечность, и нужно выбрать правильную бесконечность дл€ включени€ в свое условие. » потом другие люди дошли до методов из гидродинамики. Ёто лишь пара примеров из многогранных концептуальных и формульных прорывов того времени.

» тогда следующим шагом стало прогнозирование конкретного сигнала, который смогли бы уловить детекторы LIGO.

Ќа одной из моих самых первых встреч с группой  ипа, когда € был еще студентом, в 1991 году или около того, он пришел с большим листом бумаги и расписал на нем все, что нужно сделать на теоретической стороне, чтобы LIGO заработала. » все потому, что сигнал, который вы можете обнаружить, это характерна€ лини€, а вам нужно отделить зерна от плевел. Ќо вы сможете отфильтровать его, если только будете знать, как он выгл€дит, как вам скажут теоретики. ѕоэтому, сказал  ип, € хочу, чтобы все работали в группе над этим. » вот чем € занималс€.

Ќам хотелось заиметь прогноз формы волны с самого начала, когда LIGO может увидеть сигнал, и до конца, когда черна€ дыра уже успокоитс€ и не будет испускать никаких волн. Ќо единого метода, который позволил бы вам сделать сразу все, просто нет. ƒл€ первого этапа вы должны использовать методы приближени€, которые уже имелись, но было нужно еще на несколько пор€дков больше уровней приближени€, и вот это-то и было проблемой. ј когда черные дыры сливаютс€, гравитаци€ неверо€тно сильна€, поэтому вам нужны численные методы, чтобы провести расчеты на суперкомпьютере. Ѕыла цела€ куча групп, которые пытались это осуществить, но перед ними сто€ли серьезные преп€тстви€. ќни не могли просчитывать черные дыры чуть дольше, чем в течение краткого времени, а это было бесполезно. ѕоэтому пару лет назад они решили так: "¬ыбора нет. ћы будем мен€ть наши системы координат, пока не найдем что-то, что будет работать стабильно". » парень по имени ‘ранс ѕреториус нашел способ это сделать, а после по€вились и методы.

≈сть надежда, что LIGO "откроет новое окно во ¬селенную", обнаружива€ гравитационные волны ранее неизвестных астрофизических объектов. ”читыва€ усили€, которые были затрачены на распознание сигнала от сли€ни€ черных дыр, как мы сможем увидеть неожиданное?

ƒействительно, воистину волнительным будет найти что-то, чего мы не ожидали. ќдна из возможностей в том, что неожиданное может помочь нам, если будет очень большим сигналов. Ќаши надежды наткнутьс€ на что-то слегка преувеличены, потому что LIGO работает уже некоторое врем€, и если бы сигнал был большим, мы бы его увидели. ѕохоже, разгл€деть что-то неожиданное будет нелегко. ѕридетс€ выкапывать сигнал из шума. Ќо у LIGO много помощников и есть проект Einstein@Home.  оллабораци€ отправл€ет часть данных LIGO всем желающим, и если кто-то хочет поискать закономерности в сигналах, пусть дерзает. ¬озможно, в поиске неожиданных сигналов нам поможет машинное обучение.

0 не понравилс€
8 понравилс€ пост
 
Ќезарегистрированные посетители не могут оценивать посты
 
 
 
 

 
 
 
 

»нформаци€

 
 
 
 
 
 
 
 
 

ќставл€ть свои CRAZY комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
ѕожалуйста пройдите простую процедуру регистрации или авторизируйтесь под своим логином. “акже вы можете войти на сайт, использу€ существующий профиль в социальных сет€х (¬контакте, ќдноклассники, Facebook, Twitter и другие)

 
 
 
 
 
Ќаверх