Гравитационное событие GW170817

17 августа 2017 года произошло событие, которое трудно переоценить для астрофизики и космологии. Впервые зарегистрированы гравитационные волны не от слияния черных дыр, а от слияния двух нейтронных звезд общей массой от 2.7 до 3.3 M₀ (масс Солнца). При этом от их слияния образовался новый астрономический объект, а в энергию гравитационных волн преобразовано около 0.025 M₀. Источник электромагнитного сигнала находился в галактике NGC 4993 (созвездие Гидры). Наблюдение сигнала GW170817 сразу тремя детекторами позволило определить направление на его источник. Локализация источника определена внутри области на небесной сфере в телесном угле 28 квадратных градусов (с доверительной вероятностью 90 %). Источник гамма-всплеска находится внутри этой области. Расстояние до источника – около 40Мпк. Событие было зарегистрировано обеими гравитационно-волновыми станциями LIGO в США и станцией VIRGO в Европе. Казалось бы, может ли быть такой уж значительной разница наблюдения слияния черных дыр и нейтронных звезд? Оказывается, эта разница очень велика.

Теория относительности - четырехмерная физика

Очень часто теорию специальную относительности (СТО) рассматривают, начиная с конца. В первую очередь бросаются в глаза необычные преобразования Лоренца. Затем говорят о постоянстве скорости света. Ну и, конечно, о знаменитой формуле E=mc². Все правильно, все хорошо, все замечательно. Все эти стороны, безусловно, важны и интересны. Но на одну сторону, на мой взгляд, самую важную, мало, кто обращает внимание. И это приводит к неправильному пониманию само́й сути теории.

Лазерное охлаждение

Термин «лазерное охлаждение» выглядит несколько нелогично. Все привыкли к тому, что лазер – мощный прибор, что-то прожигает, используется как оружие и т.п. А тут – наоборот, не поджигает, а охлаждает. Тем не менее, это так. И охлаждает весьма сильно. 

В студенческие годы у нас был лазерный практикум. Тогда еще лазеры были дорогими научными приборами. Одна из работ – изучение мощного импульсного рубинового лазера. В заключение работы предлагалось сфокусировать луч и прожечь монетку. Я прожег металлический рубль и гордо демонстрировал его сокурсникам – дырочка была настолько тонкой, что из-за дифракции ее контура не было видно.

В то время был принят термин «ОКГ» - оптический квантовый генератор, слово «лазер» в науке прижилось позже. Кстати, не все знают, что слово «лазер», «Laser» – это аббревиатура от «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» – «Усиление света вынужденной эмиссией излучения».

Первым аппаратным методом охлаждения был метод термодинамический. Если газ сильно сжать, его температура повышается. Потом его охлаждают до температуры окружающей среды, забирая у него часть энергии. Если теперь увеличить объем, то температура понизится. Повторяя этот цикл много раз, можно получить температуры, при которых сжижаются азот и кислород, составляющие воздух.

Сверхточные атомные часы

Издавна питаю слабость к приборам, что-то точно измеряющим. Одно из первых воспоминаний – когда-то на электростанции у меня появился прибор, измеряющий частоту с точностью до 0.01Гц. Естественно, я тут же применил прибор в практических целях – измерил частоту электрической сети и открыл рот. Вместо ожидаемых 50.00Гц прибор показал примерно 49.55Гц. Оказалось, что тогда (советские годы) был значительный дефицит мощности электростанций, а потребители, нагружая сеть, как бы тормозят вращение генераторов, снижая частоту, и при достижении 49.50Гц автоматика начинает спасать энергосеть, отключая лишних потребителей. Наши энергетические управления работали в постоянном стрессе. Но это так, мемуары.

А вот теперь все чаще стали попадаться в сети статьи о точных измерениях времени. Вот и решил я написать маленький обзор о самом интересном на эту тему. Ну люблю я суперточность!

Черные дыры, информация и энтропия

На последнем уроке физики Алису кое-что глубоко озадачило, и она надеялась, что новые знакомые помогут разобраться в запутанных вопросах. Поставив свою чашку чая, она неуверенно спросила:

– «А свет состоит из волн или из частиц?»

– «Да, именно так», – ответил Сумасшедший Болванщик.

Немного раздраженно Алиса переспросила в полный голос:

– «Так какой же ответ? Я повторю вопрос: свет – это частицы или волны?»

– «Совершенно верно», – подтвердил Болванщик.

Эксперимент Майкельсона - Морли

В 1676 г. датский астроном Оле Христенсен Рёмер, наблюдая движение спутников Юпитера, обнаружил, что скорость света имеет конечное, хотя и очень большое значение. По результатам его измерений она составила примерно 220 000 км/сек, что весьма близко к современному значению 299 792.458 км/сек.  

В 1865 г. английский физик Джеймс Кларк Максвелл сумел объединить две частные теории, с помощью которых тогда описывали электрические и магнитные силы. Согласно уравнениям Максвелла, в электромагнитном поле, составленном из двух полей, могут существовать волноподобные возмущения, которые распространяются с постоянной, фиксированной скоростью, как волны на поверхности пруда. К тому времени было уже известно, что свет имеет электромагнитную природу. Говоря о фиксированной скорости света, нужно было указать, относительно чего она измеряется. В связи с этим было постулировано существование некой субстанции, названной «эфиром», которой наполнено все, даже «пустое» пространство. Распространяясь в эфире, как в упругой среде, свет должен иметь фиксированную по отношению к эфиру скорость. Наблюдатели, с разными скоростями движущиеся относительно эфира, должны видеть, что свет идет к ним с разной скоростью.

Гипотеза эфира выглядела настолько неоспоримой, что даже Д.И.Менделеев выделил для него специальную клетку в своей знаменитой таблице. В 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли поставили в Кливлендской школе прикладных наук очень точный эксперимент, имеющий целью определить скорость движения Земли сквозь эфир, иначе говоря, определить скорость встречного «эфирного ветра». Майкельсон и Морли сравнивали значение скорости света, измеренной в направлении движения Земли, с ее значением, измеренным в перпендикулярном направлении. К своему огромному удивлению, они обнаружили, что оба значения совершенно одинаковы! В последующие два десятилетия было выдвинуто множество попыток объяснения результатов этого эксперимента. В 1905 году никому тогда неизвестный сотрудник Швейцарского патентного бюро Альберт Эйнштейн, принимая во внимание результаты этого эксперимента, предложил новую механику, в которой гипотеза эфира становилась ненужной, а отсутствие «эфирного ветра» объяснялось автоматически. Эта механика впоследствии была названа специальной теорией относительности

В настоящее время предпринимается большое количество попыток дезавуировать результаты эксперимента Майкельсона – Морли, в чем можно легко убедиться, совершив соответствующий поиск в Интернет. Многие «ниспровергатели» пытаются объяснить это неправильными расчетами ожидаемого результата. Цель данной статьи – показать правильность этих расчетов по возможности просто и достоверно. Применяемые математические выкладки элементарны и понятны даже школьнику, приступившему к изучению алгебры.

Парадокс близнецов в теории относительности

С теорией относительности я познакомился в 10 классе школы по вышедшей тогда прекрасной популярной книжке Мартина Гарднера «Теория относительности для миллионов». Конечно же, одно из наиболее эффектных следствий – парадокс близнецов. Есть два брата-близнеца, Вася и Петя, Вася – домосед, а Петя, путешественник, отправляется в далекое космическое путешествие на сверхскоростном звездолете, развивающем скорость, близкую к скорости света. Возвращаясь на землю, еще молодой и крепкий Петя встречает Васю, уже старика. Потому что, когда Петя летал в космосе, время для него двигалось медленнее, согласно известным преобразованиям Лоренца- Фитцджеральда, важнейшему следствию специальной теории относительности (СТО). По Гарднеру это и есть парадокс близнецов.

В книге всячески подчеркивался смысл принципа относительности: любые две инерциальные системы координат, то есть, движущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, равнозначны для законов физики – законы физики для них одинаковы. А значит, если мы движемся относительно Вселенной равномерно и прямолинейно, то это неотличимо от того, что Вселенная так же движется относительно нас. Но как же быть с парадоксом близнецов? Ведь можно сказать, что путешественник Петя покоился в своем звездолете, а Вася летал вместе с Землей и со Вселенной, и именно Петя должен был постареть! Гарднер отвечает на этот вопрос эмоциями – это же Петя испытывал перегрузки, стартовал-приземлялся, подвергался опасностям на далекой звезде и т.п. Еще тогда в моем сознании отметилась неудовлетворенность таким разъяснением, но, изучая СТО впоследствии и будучи совершенно уверенным в ее справедливости, я на это не обращал внимания.

Величие второго начала термодинамики

Существует один из важнейших законов физики: второе начало термодинамики, или второй закон термодинамики. Он гласит, что в замкнутых термодинамических системах энтропия либо не меняется, либо возрастает, достигая максимума при установлении термодинамического равновесия системы.  В отличие от закона сохранения энергии, этот закон как бы не на слуху, более всего из-за присутствия в нем неочевидного понятия энтропии. В этой статье мне хотелось бы показать исключительную важность этого закона для понимания причин всего того, что существует.

2. Гравитационная сингулярность

Второй вид сингулярности связан с космическими объектами, именуемыми «черными дырами». Черные дыры – это космические объекты большой массы, испытывающие гравитационный коллапс – неконтролируемое сжатие под действием сил гравитации. Свое название они получили из-за того, что в невероятно большом гравитационном поле черной дыры любой сигнал, в том числе и свет, никогда не достигает наружного наблюдателя, если он исходит из любой точки внутри сферы с некоторым предельным радиусом – «сферы Шварцшильда», или «горизонта событий». Одним из наиболее успешных исследователей черных дыр был Стивен Хокинг (09.01.1942 – 14.03.2018), английский физик-теоретик, космолог, писатель, директор по научной работе Центра теоретической космологии Кембриджского университета, блестящий популяризатор науки.

3. Большой Взрыв

В данной статье я не буду описывать все явления и факты, связанные с Большим Взрывом – об этом уже много написано людьми, значительно более эрудированными. Мне хочется подчеркнуть лишь некоторые аспекты, на которые, как мне кажется, нужно обратить большее внимание.

Итак, в моей первой статье маленького цикла «Космологическая Сингулярность и материя» утверждается, что в Сингулярности материя находилась в некоем непроявленном виде, праматерии. Это могло произойти в результате фазового перехода третьего рода при предшествующем коллапсе Вселенной, о чем подробно – в той статье.

1. Космологическая Сингулярность и материя.

В настоящее время фактически общепризнанной концепцией происхождения Вселенной является концепция Большого взрыва. Согласно этой концепции, Вселенная существовала в виде так называемой Сингулярности, которая представляет собой сжатое практически в точку пространство-время. В некий момент начала времен произошел Взрыв, в результате которого образовалась материя, и пространство-время за короткий период быстро расширилось со скоростью, значительно превышающей скорость света – так называемое инфляционное расширение, после чего в настоящее время происходит обычное расширение, но ускоряющееся.

Данная концепция подтверждена множеством экспериментальных данных, позволяющих считать ее верной. Однако, существует ряд вопросов, на которые наука пока не может дать ответа. Например, выглядит весьма неправдоподобным утверждение, что в момент Взрыва материя произошла из ничего. Непонятно, что послужило причиной взрыва. И ряд других вопросов. В этой маленькой серии статей я попробую предложить некоторые свои соображения в качестве ответов, а также подчеркнуть некоторые теоретические положения, на которые не всегда обращают должное внимание. 

Общая теория относительности – предсказания и их подтверждения.

Cуществует мнение,  что общая теория относительности (ОТО) ничего не предсказала, и поэтому является надуманной. Я попытался собрать вместе важнейшие предсказания ОТО и их экспериментальные подтверждения, признанные мировым научным сообществом надежными. Подчеркиваю, что в каждом из них приводится информация о том, что появилось оно именно из ОТО, а не из каких-то мелких теорий ad hoc, появившихся только для того, чтобы в каждом случае попытаться дать свое объяснение данному конкретному факту, а также информация о конкретном экспериментальном подтверждении, повторюсь, признанном наукой и научным сообществом.