Практическая польза от гравитационных волн
О гравитационных волнах уже сказано довольно много, как в СМИ вообще, так и на “Кухне”.
Хочется подвести своего рода итог, чтобы принять факт их существования, как данность, обозначив, при этом, вероятное практическое применение и направления дальнейшего развития этой по истине потрясающей, опередившей своё время, работы.
Суть гравитационных волн простыми словами
14.09.2015 учёные обсерватории LIGO смогли зафиксировать гравитационные волны, испущенные при столкновении двух чёрных дыр 1,3 миллиарда лет назад. 11 февраля 2016-го года на пресс-конференции в Вашингтоне группа этих учёных объявила о данном открытии, которое рано или поздно изменит развитие цивилизации. После этого оборудование LIGO, Virgo и других обсерваторий непрерывно совершенствовалось. В итоге, гравитационные волны от слияния чёрных дыр регистрировались уже целых 4 раза.
16 октября в 17:00 по Москве весь мир узнал об ещё одном выдающемся открытии астрономов, в частности, команды обсерваторий LIGO и Virgo и ещё 70 обсерваторий, в т.ч. гамма-обсерваторий Fermi и Integral. Обсерватории достигли таких мощностей, что смогли зафиксировать гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд.
Можно, как и в самом первом случае, послушать звук слияния объектов:
Отличительной особенностью данного открытия стало то, что событие было зафиксировано и в оптическом диапазоне, то есть учёные буквально его увидели.
Фотография источника гравитационных волн — NGC 4993 (в центре различима вспышка)
Фото с сайта nplus1.ru
Никто не сомневался, что открытие гравитационных волн будет удостоено Нобелевской премии по физике и её вручили Райнеру Вайсу, Барри Баришу и Кипу Торну.
При этом, учёные совершенно не торопятся говорить о его практическом применении, что понятно – необходимо проанализировать результаты, сделать соответствующие выводы и только после этого двигаться дальше. Но каждый раз, когда приходится отвечать на подобные вопросы, специалисты напоминают, что ещё совсем недавно человечество точно также не знало, что делать с электромагнитными волнами, которые в итоге привели к настоящей научно-технической революции.
Напомню, что описаны гравитационные волны были в рамках ОТО в 1916 году Альбертом Эйнштейном.
Чем они могут быть полезны?
Во-первых, о том, что касается самой ОТО. Через день в СМИ различной степени желтезны можно найти информацию о том, что ОТО опровергнута, или она просто является обманом, а Эйнштейн – массоном-рептилоидом. Общая теория относительности была одним из самых глубоких научных и философских осознаний 20-го века и составляет основу самых интеллектуальных исследований в реальности. То, что человек смог разработать такой труд, имея лишь личное стремление к познанию окружающего мира, факт просто невероятный. В астрономии применения общей теории относительности ясны: от гравитационной линзы до измерения расширения Вселенной. Большая часть современных технологий используют уроки из теории относительности в некоторых вещах, которые считаются простыми. Например, спутники глобальной навигации не будут достаточно точными, если не применять простую корректировку замедления времени,
предсказанного теорией относительности.
При этом, следует понимать, что когда Эйнштейн представил свою теорию в 1916 году, её применение было мягко говоря сомнительным. Он просто описывал Вселенную такой, какой он её видел. И вот сейчас доказан очередной “фантастический” постулат теории относительности. Конечно, это вызывает бурю негодования у тех, кому физика побоку (хотя именно такие и жалуются на неточность навигации, например, в навигаторе смартфона). Спрашивать у астрофизиков о том, как могут быть использованы гравитационные волны, себе дороже.
«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».
Ну хорошо вам, скажут многие.
Применение?
Существует исключительно умозрительная интерпретация. Например, открытие рентгеновских лучей. Вильгельм Рентген в 1895 году обнаружил лучи, впоследствии названные его именем, во время опытов с электронно-лучевыми трубками. Лишь в 1901 году он получил за их открытие первую Нобелевскую премию по физике, при том, что сам он занимался их исследованием не более года, а основную часть работы сделали его последователи. В итоге эти электромагнитные волны станут ключевым компонентом в повседневной медицине.
Аналогично, первым экспериментальным созданием радиоволн в 1887 году, Генрих Герц подтвердил известные электромагнитные уравнения Джеймса Клерка Максвелла. Только спустя большой промежуток времени в 90-х годах 20-го века, Гульельмо Маркони, который создал радиопередатчик и радиоприемник, доказал их практическое применение, за что тоже получил Нобелевскую премию по физике в 1909 году. Также, уравнения Шрёдингера, описывающие сложный мир квантовой динамики начинают находить применение только сейчас в разработке сверхбыстрых квантовых вычислений, оставаясь во многом непознанными.
Инженер ЛИГО оценивает загрязнение интерферометра
Все научные открытия полезны, и многие, в конечном счёте, имеют повседневное применение, которое мы со временем воспринимаем, как должное. В настоящее время практическое применение гравитационных волн ограничивается астрофизикой и космологией – теперь у нас есть окно в «тёмной Вселенной», не видимой электромагнитному излучению. Без сомнения, учёные и инженеры найдут другое применение этим волнам, помимо зондирования Вселенной. Как минимум, обнаружению этих волн поспособствовало развитие технологий в оптической технике для LIGO.
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.
А что, если пофантазировать?
Давайте попробуем заглянуть лет на 15-20 в будущее, когда себя проявят ныне живущие Теслы, Эйнштейны и Рентгены. Так как мы говорим о волнах, то в первую очередь на ум приходят телефонная, радио- и мобильная связь, интернет‑сети.
Я имею в виду, что на основе этого открытия могут быть созданы принципиально новые каналы беспроводной передачи данных, действующих на любые расстояния, не требующих ретрансляторов, характеризующихся высоким качеством связи, что значительно удешевит стоимость, упростит и ускорит развитие этих технологий.
Поисково‑спасательная отрасль. Уж если учёные собираются заглянуть в недра нейтронных звёзд при помощи гравитационных волн, то почему бы на их основе не создать принципиально новые устройства, способные прогнозировать землетрясения или, например, для поиска людей под завалами.
Поиск полезных ископаемых. Из вышесказанного вытекает и возможность создания устройств, предназначенных для обнаружения залежей полезных ископаемых, определения их промышленных запасов, оптимальных точки бурения (для нефти, газа и газового конденсата) и многое другое.
Дефектоскопия. Неразрушающий контроль сейчас является основным направлением в исследовании свойств материалов. Дистанционный контроль усталости металлов и композитов в критических режимах перед разрушением; управление и контроль за процессами синтеза материалов при помощи новейших технологий.
Медицина и биология. На основе изобретения могут быть созданы принципиально новые и абсолютно безопасные медицинские приборы и оборудование для диагностики состояния биологических систем и в лечебных целях. Безопасные, потому что гравитационные волны непрерывно проходят сквозь нас, никак не влияя на наше самочувствие.
Астрофизика. Здесь уже сейчас можно смело говорить о том, что речь может идти о новом этапе в изучении и освоении космоса. Гравитационные волны теоретически дают нам возможность, например, “увидеть, услышав” первые моменты существования Вселенной после Большого взрыва, и изучение этих волн от взаимодействия нейтронных звёзд — ещё один шаг на пути к пониманию величайшей загадки.
__________
Ссылка на канал в Telegram, в котором я публикую и статьи из Дзен, но в основном то, что сюда не входит по тем или иным причинам, а также немного различной отсебятины.
Мы также начали работать над каналом в YouTube. Пока вы можете посмотреть лекции и просто интересные видео, которые мы выкладываем, а любые пожелания и предложения можете высылать на почту science.kitchen@yandex.ru.
С уважением, Д.
Источник
После открытой лекции об открытии гравитационных волн, прошедшей 16 февраля на физфаке МГУ профессор В.П. Митрофанов, возглавляющий группу российских ученых, работающих в LSC (LIGO Scientific Collaboration), ответил на вопросы журнала «Редкие земли» о гравитационных волнах.Открытие гравитационных волн — это просто «великолепная физика», или этому есть какое-то практическое применение, хотя бы в отдаленном будущем?
Это результат технологических успехов всего научного сообщества, всего человечества, если угодно, потому что еще несколько десятков лет назад это было просто невозможно. Сейчас научились делать великолепные источники света, лазеры. Сейчас прекрасная обработка с помощью компьютеров, огромные возможности памяти. Только сейчас в последнее время технический прогресс достиг такого уровня, что стало возможным детектирование гравитационных волн.
Теперь что касается практического применения. Основная цель проекта LIGO — открыть новое окно во Вселенную. Мы Вселенную привыкли изучать через оптику, через рентген, через нейтрино, а теперь открывается возможность новой гравитационно-волновой астрономии. К каким открытиям это приведет? Наверное, к очень серьезным. Это позволит нам решить и получить ответы на те загадки, которые сейчас ставит перед нами Вселенная.
Например?
Например, сингулярность черных дыр. Что там происходит? Это все в точку превращается. Что есть точка нынче? Дальше идут такие вопросы: «Что есть темная материя?», «Что есть темная энергия?» — масса вопросов. Да и вообще, увидеть Вселенную не в оптическом диапазоне, а в виде источников гравитационных волн, тоже будет необычайно интересно.
Если быть формально точным — не увидеть, а услышать.
Да, говорят «услышать», потому что частотный диапазон, в котором принимает сейчас детектор, это звуковые частоты, совершенно верно. А что будет дальше, это уже нужно фантазировать. Я обычно упоминаю великолепный фильм, в котором принимал участие Кип Торн как автор — «Интерстеллар». Там очень много невероятного, но как говорил Кип Торн: «Там нет таких вещей, которые запрещены законами физики». Как будет развиваться все это, давайте посмотрим.
LIGO зафиксировало некие колебания, некие волны. Как стало понятно, что это результат слияния именно черных дыр?
Стали анализировать, прежде всего по тому, какая частота колебаний была, как она менялась со временем. И уже по результатам этого анализа поняли, что причиной этого возмущения пространства являются именно черные дыры, потому что другие объекты, скажем слияние двух нейтронных звезд, или нейтронной звезды и черной дыры не попали бы в такой частотный диапазон.
Насколько повезло ученым?
Очень сильно повезло. Во-первых, сигнал очень большой. Было относительно просто его анализировать. Если бы сигнал был маленький, то тогда можно было сказать, что зарегистрированы гравитационные волны, но определить источник, тип, что породило эти волны, было бы чрезвычайно сложно. Природа нам преподнесла такой подарок — очень сильный сигнал.
Можно сравнить это обнаружение с выстрелом навскидку и попаданием в цель, которая находится за горизонтом?
Дело даже не в этом, что попали. Просто произошло такое событие, вот повезло людям на земле, что уже сделали детектор.
Ни раньше, ни позже?
Позже, наверное, будет еще больше событий. Но вот построили детектор и получили такой сигнал.
Насколько велик вклад наших ученых, с физического факультета МГУ? Я понимаю, что самого себя, наверное, не очень ловко хвалить, но тем не менее.
Сложно сказать. Во-первых, вы совершенно правы, себя хвалить не очень удобно. Я так отвечу. Я видел интервью Кипа Торна — это выдающийся астрофизик, один из основателей LIGO — и в этом интервью он очень хорошо отозвался о московской группе, конкретно несколько раз упоминая фамилию Владимира Борисовича Брагинского, основателя и вдохновителя этой работы в Московском университете. Именно Брагинский разработал теорию квантовых измерений, которая позволила и позволяет сейчас понять, куда двигаться при модернизации, при усовершенствовании детекторов LIGO, как их строить и так далее. Кроме того, наша работа и в экспериментальном, и в теоретическом плане очень много определилa в LIGO.
Насколько возможно строительство комплекса аналогичного LIGO в России? От кого это зависит?
В любом случае — не от нас. Я думаю, что все ученые с удовольствием приветствовали бы такую программу, но она требует достаточно больших вложений, капиталовложений и денег в инфраструктуру и в те приборы, которые нужно использовать. Поэтому, надо спрашивать у людей, которые распределяют ресурсы.
Нам нужно два прибора? Условно один в Калининграде, другой во Владивостоке? Они же работают парой?
Нет, сейчас, когда уже есть работающие детекторы, каждый новый детектор позволяет улучшить существующую планетарную сеть. Нам нужен, по крайней мере, один детектор. И конечно, было бы очень здорово, если бы в России развивалась эта деятельность, и такие приборы появились в нашей стране.
Источник
Свершилось то, о чем так долго мечтали физики во всем мире. Гравитационные волны нашли экспериментальное подтверждение, о чем сейчас не пишет наверное только самый ленивый. Я точно не самый, поэтому решил внести и свою лепту в информационный шум.
Но в отличии от всех авторов я начну с конца.
Польза гравитационных волн
“Если раньше вы втыкали USB кабель в разъем с третьей попытки, то теперь будете попадать с первой” — поиски практического применения гравитационных волн.
Повлияет ли открытие гравитационных волн на стоимость нефти, курс рубля/тенге/гривны/доллара, продолжительность жизни и глобальное потепление? Т.е. будет ли практический смысл от данного открытия нам с вами (которые не физики) в ближайшие год-два-пять? Скорее всего нет, потому что аналогичная ситуация была 18 веке. Некто Максвелл предсказал наличие электромагнитных волн. Потом господин Герц доказал экспериментально наличие того, что предсказал Максвелл. Однако надои молока не выросли, объем добычи камня и угля остался прежним. Но сейчас наша жизнь немыслима без этого самого электромагнитного излучения.
Поэтому сказать, как именно пригодится нам гравитационные волны в повседневной жизни могут только фантасты. Физикам они конечно помогут изучать просторы вселенной, а мы в ближайшее время особых эффектов не почувствуем. Но не исключено, что сидя на пенсии возле грави-печки и общаясь с внуками по грави-интернету вы будете рассказывать им, что помним тот день, когда ….!!!!
Мощные или немощные?
Одной из проблем практического применения гравитационных волн видится их “немощность”. Их потому и не могли обнаружить столько лет (поиски начались еще в СССР в 60-е), потому что уж слишком они слабые. Так например гравитационные волны от взаимодействие Солнца и Юпитера имеют мощность всего …. 5 КВатт. Можно запитать обогреватель воды в доме, но только если удастся собрать все волны. Поэтому зафиксировать удается (пока) лишь очень сильные взаимодействия, как например в случае с этим удачным экспериментом — поймали столкновение черных дыр.
Надеяться на то, что в ближайшее время мы сделаем грави-панели и будем питать дом от гравитационного “излучения” пока еще рано. Мы пока толком не научились даже солнечную энергию использовать, которой много больше и наблюдать ее значительно проще.
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 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 волнНа 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.
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!
Официальный сайт организации www.ligo.org
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.
Источник