Тяжесть, дыры и волны — жизнь ангелов?

Изменено: 12.03.2016 Posted on

Об очередном открытии и прямом детектировании гравитационных волн коллаборациями LIGO иVIRGO было объявлено 11.2.2016 года[2] с публикацией в журнале Physical Review Letters[1] : еще 14 сентября 2015 года обновленная обсерватория LIGO зарегистрировала гравитационно-волновой всплеск, порожденный слиянием двух черных дыр с массами 29 и 36 солнечных масс в далекой галактике на расстоянии примерно 1,3 млрд световых лет. Гравитационно-волновая астрономия  открывает новый способ наблюдать за Вселенной и  недоступные ранее эффекты сильной гравитации. 

(слияния двух чёрных дыр массами 36+5−4 и 29+4−4 солнечных в массу 62+4−4 массы Солнца и параметр вращения a = 0,67+0,05−0,07. Излучённая за десятые доли секунды в слиянии энергия — эквивалент 3+0,5 солнечных масс[1][23][24]. по измеренной амплитуды сигнала — 10−21 на 1,3 млрд световых лет (410+160−180 мегапарсек, красное смещение z = 0,09+0,03−0,04)[1].комптоновскую длину волны гравитона, кванта гравитационного поля оценили выше 1013 км, верхняя граница массы его 1,2×10−22 эВ уточняет оценки двойных пульсаров. Также доказано существование черных дыр звездного происхождения (коллапса звезд, израсходовавших свое термоядерное топливо), выше 25 солнечных масс, множества двойных черных дыр, от двух до четырехсот их слияний в Гпс3/год — в статье B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116, 061102. LIGO обошлось примерно в 370 миллионов долларов.

Детектор advanced LIGO дойдет до стандартного квантового предела, осуществив квантовый макроскопический прибор, две тяжелые массы на 4 км (как показал Брагинский в 1968). Второй, шестимесячный, сеанс начнется в конце  года, третий — 2018 год, чувствительность детектора будет расти до 2020 г. — планируя чувствительность слияния нейтронных звезд на расстояния до 200 Мпк и слияния черных дыр до гигапарсека — наблюдаемый объем Вселенной возрастет на порядки.

Рис. 12. Объем Вселенной, доступный LIGO

Рис. 12. Объем Вселенной, доступный LIGO для гравитационно-волнового прослушивания. Красный, желтый и голубой шары соответствуют первоначальной стадии LIGO, нынешнему сеансу aLIGO, и проектной чувствительности aLIGO. Каждоепятнышко — это отдельное скопление галактик. Рисунок из статьи D. Castelvecchi & A. Witze, 2016. Einstein’s gravitational waves found at last

Ниже- История теории ядер звезд, НЗ и черных дыр, с 1784 в журнале Лондонского Королевского общества  On the Means of Discovering the Distance, Magnitude, &c. of the Fixed Stars, in Consequence of the Diminution of the Velocity of Their Light, in Case Such a Diminution Should be Found to Take Place in any of Them, and Such Other Data Should be Procured from Observations, as Would be Farther Necessary for That Purpose. By the Rev. John Michell, B. D. F. R. S. In a Letter to Henry Cavendish, Esq. F. R. S. and A.S.  Джон Мичелл (John Michell, 1724–1793) вычислял физическую величину, которая сейчас носит имя радиуса Шварцшильда. ), был настоятелем (ректором) прихода Св. Михаила и отцом-основателем сразу двух наук — сейсмологии и звездной статистики, обнаружил, что сила отталкивания между одноименными полюсами постоянных магнитов убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, и задолго до Шарля Кулона (Coulomb) изобрел и сделал «в железе» крутильные весы для гравиметрических экспериментов, как его друг Генри Кавендиш (Henry Cavendish), прецизионные промеры силы тяготения,  гравитационную постоянную с ошибкой  порядка одного процента.  Мичелл  вслед за Джозефом Пристли (Joseph Priestley) предположил, что частицы света, как и обычная материя, подчиняются законам механики и, в частности, должны тормозиться силами тяготения, измерять расстояния до звезд, звездные величины и звездные массы (стр. 35). Не считая, что скорость света в вакууме постоянна, он  заключает, что очень массивная звезда должна настолько тормозить световые частицы, что они никогда не смогут уйти на бесконечность. Весь ее свет «будет вынужден вернуться обратно к звезде» (стр. 42), при плотности Солнца, диаметр должен примерно в 500 раз превышать солнечный, мы никогда не сможем получить о них никакой  information. Современная черная дыра вообще не излучает никакого света (гипотетическое излучение Хокинга — чисто квантовый эффект). Но наличие и свойства невидимой звезды  наблюдаются  из «качания» ее партнера- как при поиске карликов и экзопланет. Из второй космической скорости скорость света радиус R не превышает величину Rcr=2GMc2Rcr=2GMc2. Позже это повторяли Лаплас, Менделеев и др. В 1900 году,  возможность того, что геометрия Вселенной отличается от евклидовой (как Лобачевский), и нижние пределы радиуса кривизны пространства для сферической и псевдосферической геометрии космоса оценил Шварцшильд. Позже возглавил Потсдамскую астрофизическую обсерваторию. После Ньютона[31.]

1854, Нанси, Франция — 17 июля 1912, Париж, Франция) —французский математик, механик, физик, астроном и философ дал «Новые методы небесной механики» (1892—1899) и «Лекции по небесной механике» (1905—1910), в задаче о движении трёх тел,  устойчивости  (теорема Пуанкаре о разложении интегралов по малому параметру), неподвижных точек, асимптотических разложений[28] , доказал, что принципиально не интегрируема[29].  нельзя выразить через алгебраические или через однозначные трансцендентные функциикоординат и скоростей тел[30]. «теории хаоса» (см., в частности, теорему Пуанкаре о возвращении) и общей теории динамических систем, понятие точек бифуркации, доказал существование фигур равновесия, отличных от эллипсоида, в том числе кольцеобразных и грушевидных фигур[32]. с 1880-х в электромагнитной теории Максвелла и её дополненному Лоренцем варианту, переписывается с Генрихом Герцем и Лоренцем, дал преобразования Лоренца  в современном виде и показал, что они образуют группу преобразований[35]. Ещё в 1898 году,  «Измерение времени» сформулировал общий (не только для механики)принцип относительности, его четырёхмерное пространство-время разработал Герман Минковский[38]. в докладе на физическом конгрессе, 1900 год[39] впервые высказал мысль, что одновременность событий не абсолютна, а представляет собой условное соглашение («конвенцию»), при  предельности скорости света.[38] Лоренц в 1904 году и в1905 году Пуанкаре в статье «О динамике электрона» 5 июня 1905 года в Comptes Rendus, в июле 1905— 1906 года, в итальянском математическом журнале, формулируется всеобщий принцип относительности для всех физических явлений (в частности, электромагнитных, механических и также гравитационных), с преобразованиями Лоренца, выражение для четырёхмерного интервала как инварианта преобразований Лоренца: r^2 + {(ict)}^2, четырёхмерную формулировку принципа наименьшего действия, и  набросок релятивистской теории гравитации; в его модели тяготение распространялось в эфире со скоростью света,  снять полученное ещё Лапласом ограничение снизу на скорость распространения гравитационного поля.[38] 

Но  Планк назвал теории относительности без Пуанкаре, его субъективности или условности, эффекты, которые Лоренц и Пуанкаре считали динамическими свойствами эфира,  из объективных свойств пространства и времени,  перенесены  Эйнштейном из динамики в кинематику[40].когда в 1910 году Пуанкаре был номинирован на Нобелевскую премию, в перечне его заслуг ничего не говорилось о теории относительности[45].

в теории относительности и квантовой теорией «О теории квантов» (1911)  доказал, что невозможно получить закон излучения Планка без гипотезы квантов,

Именно по инициативе Пуанкаре молодой Антуан Анри Беккерель занялся изучением связи фосфоресценции и рентгеновских лучей (1896), и в ходе этих опытов была открыта радиоактивность урановых соединений[36]. Пуанкаре первым вывел закон затухания радиоволн.

 

Столетие ОТО, или Юбилей Первой ноябрьской революции, отмечает Карла Шварцшильда (Karl Schwarzschild, 1873–1916),  гравитационный, он же шварцшильдовский, радиус. Труды в области электродинамики, звездной астрономии, астрофизики и оптики, в квантовую механику атомных оболочек,  теорию эффекта Штарка (K. Schwarzschild, 1916. Zur Quantenhypothese). Первая мировая война добровольцем на русском фронте в штабе артиллерийской части, где занимался расчетом траекторий снарядов дальнобойных орудий, от пемфигуса, очень тяжелого аутоиммунного заболевания кожных покровов, наследственного, скончался 11.5.16, как погибший в Дарданелльской операции английский физик Генри Мозли. Решая уравнения Эйнштейна, он подтвердил величину вычисленного Эйнштейном аномального поворота орбиты Меркурия и вывел релятивистский аналог третьего закона Кеплера для круговых орбит (квадрат угловой скорости  n2=α2R3n2=α2R3, имеет верхний предел n0=12αn0=12α, специфика ОТО. При массе Солнца, максимальная частота обращения оказывается примерно 10 тысяч оборотов в секунду.  α=104c2π2α=10−4c2π2= 3 километрам, то есть, гравитационному радиусу Солнца! тензор-энергии импульса равен нулю. В обеих версиях уравнений ОТО отсюда вытекает равенство нулю тензора Риччи, откуда шварцшильдовская метрика (см. об этом в книгах Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц, «Теория поля», стр. 381–384; Peter Collier, A Most Incomprehensible Thing: Notes Towards a Very Gentle Introduction to the Mathematics of Relativity, стр. 260–263). «О гравитационном поле сферы, заполненной несжимаемой жидкостью, вычисленном в соответствии с теорией Эйнштейна» (Karl Schwarzschild, 1916. Über das Gravitationsfeld einer Kugel aus inkompressibler Flüssigkeit nach der Einsteins-chen Theorie) вычислены две метрики — для внешнего пространства и для пространства внутри сферы.  гравитационный радиус 2GMc22GMc2, для массы в 1 грамм — 1,5·10−28 сантиметра. Весной 1916 года голландец Иоханнес Дросте  под руководством Х. А. Лоренца (J. Droste, 1917. The Field of a Single Center in Einstein’s Theory of Gravitation, and the Motion of a Particle in that Field из  уравнений гравитации, найденной Эйнштейном в 1913 году (так называемая теория «Проекта», Entwurf theory, как  сделали Давид Гильберт (David Hilbert) и Герман Вейль(Hermann Weyl)). У Ральфа Фаулера (Ralph Fowler) «О плотной материи» (R. H. Fowler, 1926. On Dense Matter) объяснив природу «таких звезд, как спутник Сириуса» (стр. 114),  белых карликов, известных с середины XIX век.  Они сопротивляются гравитационному сжатию за счет давления холодного нерелятивистского вырожденного электронного газа, возникающего при обобществлении атомных электронов при очень высокой плотности звездной материи, в соответствии с принципом Паули, занимает в импульсном пространстве все допустимые значения от нуля до определенной верхней границы. Давление этого газа не зависит от температуры и пропорционально его плотности в степени 5/3. Отсюда  масса белого карлика в принципе может быть сколь угодно большой, поскольку давление вырожденного газа всегда сможет сопротивляться гравитационному сжатию звезды.

Яков Ильич Френкель в  его автобиографии «1928 году я пытался приложить электронную теорию к проблеме внутреннего строения звезд, развивая теорию Ферми на случай электронного газа с релятивистскими энергиями. Таким путем мне удалось прийти к выводу о том, что масса стабильной звезды не может превосходить определенного максимального значения, ненамного превосходящего массу Солнца.»-  Anwendung der Pauli-Fermischen Elektronengastheorie auf das Problem der Kohäsionskräfte («Применение теории электронного газа Паули-Ферми к вопросу о силах сцепления», Собрание избранных трудов, т. 2). Он показал, что релятивистские эффекты начинают работать, когда масса звезды достигает приблизительно массы Солнца, а плотность ее вещества переходит за 109 кг/м3, как в 1929 году астрофизик из Тартусского университета Вильгельм Андерсон (Wilhelm Anderson) для  массы Солнца, электроны у верхней границы энергий приобретают субсветовые скорости, давление оказывается пропорциональным плотности в степени 4/3), и лектор Лидского университета Эдмунд Стоунер (Edmund Stoner).  W. Anderson, 1929.Gewöhnliche Materie und Strahlende Energie als Verschiedene ‘Phasen’ eines und Desselben Grundstoffes; E. C. Stoner, 1929. The Limiting Density in White Dwarf Stars)  привели приближенные оценки максимальной массы таких ядер (0,69 Ms у Андерсона и 1,12 Msу Стоунера), а 19-летний выпускник Мадрасского университета и будущий Нобелевский лауреатСубраманьян Чандрасекар использовал уравнение гидростатического равновесия (S. Chandrasekar, 1931. The Maximum Mass of Ideal White Dwarfs) и формулу для максимальной массы идеального белого карлика, которая сейчас носит его имя (предел Чандрасекара).  0,91 Ms  дал завышенную величину средней массы звездного вещества, приходящейся на один электрон. Сейчас принято 1,4 Ms; масса наилегчайшего белого карлика, открытого в нашей Галактике, приблизительно равна 0,2 Ms. В 1934 году Чандрасекар построил теорию белых карликов произвольной массы, с нейтронными звездами. В 1925 году шведский астрономКнут Эмиль Лундмарк (Knut Emil Lundmark) предложил выделить особую группу новых звезд высшего класса, профессор физики КалтехаФриц Цвикки (Fritz Zwicky) стал называть экстремально яркие вспышки сверх-новыми, 12.33 году Цвикки и астроном из обсерватории Маунт Вильсон Вальтер Бааде (Walter Baade) (оба — эмигранты из Европы) (W. A. Baade and F. Zwicky, 1934 On Super-Novae), подсчитали, что в течение месяца типичная сверхновая посылает в пространство столько же света, сколько излучает наше Солнце за 10 миллионов лет, лишь при частичном превращении массы звезды в лучевую энергию в соответствии с формулой Эйнштейна, в звезду нового типа, состоящую в основном из нейтронов, экстремально высокой плотности, на много порядков превосходящей плотность белых карликов.  Cosmic Rays from Super-Novae, выдвинули поистине пророческую гипотезу: взрывы сверхновых звезд могут быть источником космических лучей, до открытия радиопульсаров в 1967 году. Лев Давидович Ландау предположил, что состоящие из такой материи звездные ядра могут служить источником гравитационной энергии, которую звезды расходуют на свое излучение в начале 1931 года, то есть еще до открытия нейтрона заместителем директора Кавендишской лаборатории Джеймсом Чедвиком (James Chadwick) (L. D. Landau, 1932. On the theory of stars,  переоткрыв формулу для предела Чандрасекара с 1,5 Ms.

В 1937 году Георгий Гамов оценил максимальную плотность нейтронного вещества в 1017 кг/м3 (G. Gamow, 1937. Structure of Atomic Nuclei and Nuclear Transformations; G. Gamov, 1939. Physical Possibilities of Stellar Evolution), что на 9 порядков больше плотности массы типичного белого карлика.  (4–6)·1017 кг/м3.  в 1932 году гипотезу Ландау, отметил, что нейтронные ядра могли бы обеспечить активную жизнь звезды «на очень долгое время», Роберт Оппенгеймер и его канадский аспирант Джордж Майкл Волков (George Michael Volkoff), москвич по рождению и в прежней жизни Георгий Михайлович (J. R. Oppenheimer and G. M. Volkoff, 1939. On Massive Neutron Cores)

Тяжесть — волны

Теории гравитации с  ньютоновским законом всемирного тяготения и отталкиванием Канта-Эйнштейна включила  волновое решение Гельмгольца и Фарадея-Максвелла (1865), показав что свет — оптическое излучение – это электромагнитные волны со скоростью света с, открытые в 1888-ом  ассистентом Гельмгольца Герцем вибратором в разряде банки на диполь (стоящие на крышах  антенны дециметрового диапазона) — искорке в таком же диполе-вибраторе на расстоянии  метров, с отражением излучения. Лоренц добавил поле, которое отрывается от источника и существует сколь угодно долго, но распространяется в вакууме со скоростью света, Пуанкаре в 1905 г. «О вращ.е-» дал теорию относительности и гравитации, гравитационные волны, через 7 лет последователи Герца Рентген и Ленард (как и украинец) открыли Х-лучи, тоже электромагнитные, но в тысячи раз меньшие оптических, единый спектр, разные длины волн разные. Радио с первой мировой войны распространило уравнение Максвелла с ЭД на излучение, которое должно оторваться от источника и существовать независимо, со скоростью света, и общую теорию относительности (ОТО), где пространство служит не фоном, вместилищем для физических явлений, а явлением, динамической величиной, которая меняется в согласии с законами ОТО. Искажения пространства-времени относительно ровного фона — или, на языке геометрии, искажения метрики пространства-времени — и ощущаются как гравитация, геометрическое происхождение и предсказание: гравитационные волны. Это искажения пространства-времени, которые способны «оторваться от источника» и, самоподдерживаясь, улететь прочь. Это гравитация сама по себе, ничья, своя собственная. После смерти Пуанкаре в 1912 Гильберт и Альберт Эйнштейн окончательно сформулировали  общность теории относительности[5] в 1915 году и гравитационные волны в 1916 году[3][4]  как рябь пространства, распространяющуюся во времени со скоростью света: при прохождении гравитационной волны между двумя свободно падающими телами расстояние между ними изменяется как амплитуды волны[6] из уравнения.

Хронология Г-теории в ХХ веке — 1900 — Лоренц предположил, что гравитация «…может распространяться со скоростью, не большей скорости света»[23];  1905 — Пуанкаре впервые ввёл термин гравитационная волна (onde gravifique),  качественно снял устоявшиеся возражения Лапласа[24] и показал, что связанные с гравитационными волнами поправки к общепринятым законам тяготения Ньютона порядка v/cсокращаются, не против наблюдения[25]; найдя формулу для его задачи Меркурия, в 1916 — Эйнштейн показал, что в рамках ОТО механическая система будет передавать энергию гравитационным волнам — вращение относительно неподвижных звёзд должно остановиться, хотя потери энергии порядка 1/c^4 ничтожны и практически не поддаются измерению (ещё ошибочно полагал, что механическая система, постоянно сохраняющая сферическую симметрию, может излучать гравитационные волны)[26]; в 1918 — Эйнштейн вывел квадрупольную формулу[27], в которой излучение гравитационных волн оказывается эффектом порядка 1/c^5, ошибку предыдущей работы (оставив в коэффициенте, энергия волны в 2 раза меньше[28]);

1923 — Эддингтон — поставил под сомнение физическую реальность гравитационных волн «…распространяются… со скоростью мысли» (как в КМ, по Бору, м.б.ближе релятивизму Пуанкаре). В 1934 году, при подготовке русского перевода своей монографии «Теория относительности», Эддингтон добавил несколько глав, включая главы с двумя вариантами расчётов потерь энергии вращающимся стержнем, но отметил, что использованные методы приближенных расчётов ОТО, по его мнению, неприменимы к гравитационно связанным системам, поэтому сомнения остаются[29]; в 1937 — Эйнштейн совместно с Розеном исследовал цилиндрические волновые решения точных уравнений гравитационного поля, с перепиской относительно рецензии на статью Эйнштейна и Розена «Существуют ли гравитационные волны?»[30][31][32]), где пытался откреститься от Г-волн (Physical Review, ред.Джон Тейт-старший (John Tate Sr.) публиковал его с 1931 г. в США, Калтеха, в 1935 г.- парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена и через год Эйнштейн вместе с Rosen, ставшим его постоянным ассистентом, впервые описали«червоточины» — туннели сквозь пространство-время…. в 1952 году в ответ на критику единой теории поля). (Albert Einstein, 1939. Stationary System with Spherical Symmetry Consisting of Many Gravitating Masses) Эйнштейн не верил в шварцшильдовскую сингулярность, возникающую вблизи гравитационного радиуса, и потому постарался доказать, что она физически недостижима. Он использовал метрику Шварцшильда (правда, в нестандартной записи), однако сделал совершенно искусственное допущение, что все частицы движутся вокруг центра симметрии по круговым орбитам. Его вычисления показали, что рост массы такой системы приводит к увеличению центробежных сил, и это не позволяет ей сжиматься далее определенного предела.«сингулярность Шварцшильда не существует в физической реальности» (стр. 936) -считают эту статью худшей из эйнштейновских научных работ. Борну Эйнштейн пишет, что молодой ассистент помог ему понять, что «гравитационных волн не существует, а общая теория относительности и сформулированные в свете нее уравнения имеют еще больше ограничений, чем казалось». Редактор журнала Джон Тейт-старший решил отправить ее на рецензирование, негативный отзыв, и статью не опубликовали.

Эйнштейн пришел в бешенство и написал от себя и Розена (который находился в Советском Союзе), что не давал разрешения показывать свою статью до публикации другим ученым. Их попытка описать плоские гравитационные волны, оказалась невозможной без  сингулярностей. Эйнштейн до конца не осознавал, что координатную сингулярность можно устранить путем преобразования координат, однако не рисковал делать этого.Через год место Розена занял другой физик-теоретик — Леопольд Инфельд, и рецензент-космолог Говард П. Робертсон (Howard P. Robertson), показал  ошибку и преобразования координат. Эйнштейн переделал статью и даже дал ей новое название: «О гравитационных волнах» (рецензент нашел и решение — применение цилиндрической системы координат, на 11 лет раньше — в 1925 году — предложенное Беком (Guido Beck, незамеченно) с обратными выводами опубликовав в журнале Journal of the Franklin Institute в соавторстве все с тем же Розеном (возражавшим в СССР), с «фундаментальными правками» ошибки[33];

  • 1957 — Герман Бонди  и Ричард Фейнман предложили мысленный эксперимент «трость с бусинками» — обосновали существование физических последствий гравитационных волн в ОТО[34][35];
  • 1962 — Пустовойт В. И. и Герценштейн М. Е. описали принципы использования интерферометров для обнаружения длинноволновых гравитационных волн[36][37]);
  • 1964 — Филип Петерс и Джон Мэтью (англ.) теоретически описали гравитационные волны излучаемые двойными системами[6][38];
  • 1969 — Джозеф Вебер, основатель гравитационно-волновой астрономии ( 9.2000 скончался от рака), сообщает об обнаружении гравитационных волн Ч.дыры Гал. с помощью резонансного детектора — механической гравитационной антенны[39][40], порождая бурный рост, Ренье Вайс (англ.), один из основателей проекта LIGO, начал эксперименты, без надёжных подтверждений;
  • 1978 — Джозеф Тейлор сообщил об обнаружении гравитационного излучения в двойной системе пульсара PSR B1913+16[41]. с открывшим его аспирантом Р.Халса заслужил Нобелевскую премию по физике за 1993 (урок критики открытия пульсаров Белл-Хьюиша). К  2015 г. три пост-кеплеровских параметра, включающих уменьшение периода вследствие излучения гравитационных волн, было измерено, как минимум, для 8 подобных систем[42];Обнаружение ускорения расширения Вселенной группой Перлмуттера привело к быстрому возрождению идеи космологической константы, а также квинтэссенции, как альтернативы ей. — аномалия Пионеров.2002 — Копейкин С. М. и Эдвард Фомалонт (англ.) произвели с помощью радиоволной интерферометрии со сверхдлинной базой измерения отклонения света в гравитационном поле Юпитера в динамике, что для некоторого класса гипотетических расширений ОТО позволяет оценить скорость гравитации — отличие от скорости света не должно превышать 20 %[43][44][45] (данная трактовка не общепринята[46]);
  • 2006 — международная команда Марты Бургей  уточнили ОТО и соответствия ей величины излучения гравитационных волн в системе двух пульсаров PSR J0737-3039A/B[47];
  • 2014 — астрономы Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (BICEP) сообщили об обнаружении первичных гравитационных волн при измерениях флуктуаций реликтового излучения[48][49] -считаются не  реликтовым, а излучением пыли в Галактике[50];
  • 2016 — международная команда LIGO сообщила об обнаружении события прохождения гравитационных волн GW150914 в свехрсильных гравитационных полях со сверхвысокими относительными скоростями (< 1,2 × Rs, v/c > 0.5), что позволило проверить корректность ОТО с точностью до нескольких постньютоновских членов высоких порядков. Измеренная дисперсия гравитационных волн не противоречит сделанным ранее измерениям дисперсии и верхней границы массы гипотетического гравитона (< 1,2 × 10−22 эВ) в расширении ОТО

В отличие от электромагнитного, гравитационное излучение может быть только квадрупольным, а не дипольным- с четырьмя зарядами квадрата электродинамики, вращающаяся пара массивных тел — «квадруполь»).  В 1948 Фок оценил большие массы – астрофизические, что Юпитер излучает 400 ватт и на очень длинных волнах. Когда открыли нейтронные звёзды, мазеры и лазеры (Мейман) с очень узкой линией, появились реальные возможности. Шкловский, например, завершал  свою книгу «Звезды» Г-волнами с уверенностью, что их откроют для Краба, объясняя Г-волнами различие его Т. Сигнал на частоте пульсара в Крабовидной туманности продолжают фильтровать, но гравитационными волнами от него обусловлавливают менее 4% замедления, симметричный и частота вращения 30 Гц соответствует частоте грав волн 60 Гц —  сети переменного поля в Америке и значит сильных наводок.

У Я. Б. Зельдовича коллапс всегда сжимает звезду в сингулярность, «суперконцентрат» гравитационного поля, замкнутый в бесконечно малом объеме. У статичной дыры это точка, у вращающейся — кольцо. Джон Арчибальд Уилер (John Archibald Wheeler) с 1950-х  переключился с ядерной физики на ОТО и говорил о черных дырах 29 декабря 1967 года (John Archibald Wheeler, 1968. Our Universe: The Known and the Unknown) с первым сообщением об открытии радиопульсаров (A. Hewish et al., Observations of a Rapidly Pulsating Radio Source). (Marcia Bartusiak, 2015. Black Hole: How an Idea Abandoned by Newtonians, Hated by Einstein, and Gambled on by Hawking Became Loved, стр. 137-141- в 1960 году коллега Уилера по физическому факультету Принстонского университета Роберт Дикке (Robert Dicke), в шутку сравнил коллапс массивной звезды с «Калькуттской черной ямой» (Black Hole of Calcutta,  1756 года новый правитель Бенгалии, Бихара и Ориссы Сирадж-уд-Дауда

Для Солнечной системы наибольшее гравитационное излучение от Солнца и Юпитера — мощность 5 киловатт ( ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел[7][8].). Но двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс терять энергию за счёт излучения гравитационных волн и, в конце концов, сливается воедино, для некомпактных дольше возраста Вселенной, для нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, за миллионы лет происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс за доли секунды,  в гравитационное излучение уходит энергия,  более 50 % от массы системы.

Прямые попытки детекторов гравитационных волн  резонансного типа Джозефа Вебера, к 1972 году опровергнутое научным сообществом, сжимая и расширяя болванку как колокол[10][6], вызвали интерес и косвенное открытие гравитационных волн  в точном согласии с расчетами ОТО в 1974 году  — уменьшение периода обращения со временем пары нейтронных звёзд, Нобелевскую премию по физике 1993 г .-  Рассел Халс и Джозеф Тейлор в обращении двойных звёзд нашли гравитационные потери энергии, орбит  и периода обращения[8][9][6] — на радиотелескопе в Аресибо они впервые обнаружили двойной пульсар PSR B1913+16, и в 1991 году измерения сокращающейся орбиты этой пары звёзд, образующих пульсар, дали подтверждение общей теории относительности, и возможность излучения этой системой гравитационных волн.

Р. Халсе студентом у Дж. Тэйлора открылт радиопульсар  на по очень вытянутой орбите (эксцентриситет около 0.6) с периодом всего 6.75 часа и скоростью 200 км/с (сравните с Землей,  30 км/с!).  период составляет 0.059 с до 15 знака после запятой, поворот периастра орбиты пульсара оказавшийся 4.22663 градуса в год, в 36000 раз больше чем скорость известного смещения перигелия орбиты Меркурия  определил суммарную массу компонент двойной системы 2.8275 Mc и массу самого пульсара, оказавшейся равной 1.4411 Мc -и уменьшение орбитального периода с скоростью всего 75.8 микросекунд в год. Полученные к 1991 году Тэйлором результаты дали значение 76±0.3 микросекунды в год* блестяще подтвердило теоретические ожидания  второй Нобелевской премии за нейтронные звезды (первая была присуждена Э. Хьюишу и М. Райлу в 1974 г. за открытие пульсаров в 1967 г.)- см. Нобелевская премия 1993 г. по физике — астрономам К. А. Постнов/Вселенная и Мы,  Информация с сайта Нобелевского комитета  (англ.), Дж. X. Тэйлор (мл.). «Двойные пульсары и релятивистская гравитация». Нобелевская лекция.* // Успехи физических наук, 7, 1994, Р.А. Халс «Открытие двойного пульсара» 164 743 (1994) — больше о НЗ, продолжая Хьюиша. Упоминают  связи последних открытий и НПФ типа лауреатов 1999- Хоофт и Велтман «От слабых взаимодействий к гравитации» 170 1225 (2000)

*Столкновение звезд случится не скоро, через 300 млн лет, а первого двойного радиопульсара  обнаруженного в 2003 г.- 85 млн лет.

Интерферометры

отказ от массивных резонаторов в пользу световых лучей в 1962 году предложили советские физики М. Е. Герценштейн и В. И. Пустовойт, а двумя годами позже и Вебер. В начале 1970-х в «Хьюз Эйркрафт» Роберт Форвард (Robert L. Forward), аспирант Вебера, в дальнейшем известный писатель-фантаст, построил первый такой детектор, а Вайсс выполнил очень глубокий теоретический анализ возможностей оптических методов регистрации гравитационных волн.

*часть 6- Тест для Г-волн — доказывает гравитационное излучение со скоростью света и квадрупольным характером.

Техника интерферометра Майкельсона, с введением в каждое плечо детектирования резонаторов Фабри — Перо, умножающих длину пробега лучей и позволивших укоротить плечи[11][12]. дали установки коллабораций LIGO (два интерферометра с плечами по 4 км) иVIRGO (один по 3 км)[6].

В 2014 году было объявлено об открытии реликтовых гравитационных волн Большого взрыва (и усиливающей их инфляции, спиральной В-моды поляризации) командой эксперимента BICEP2, но опровергнуто коллаборацией Planck[13]. В открытии первичных гравитационных волн,  эпохи, когда Вселенная расширялась ускоренно,  след тех квантовых флуктуаций,  сама стадия ускоренного расширения Вселенной приводит к появлению определенного спектра первичных флуктуаций метрики пространства-времени от частоты- в особенностях поляризации реликтового излучения. Из неоднородностей «осаживалась» темная материя, а потом — барионная

на несколько порядков меньше, чем флуктуации температуры микроволнового фона, которые сами составляют 10-5, а эффект поляризации реликтового фона от первичных гравитационных волн еще меньше на несколько порядков.  поляризация излучения на космической пыли может создавать очень похожие на гравитационные волны эффекты.  объявленое в 2014 году, оказалось эффектом, связанным с пылью, которая находится внутри нашей Галактики. Когда эту пыль аккуратно учли, оказалось, что все, что намерено в поляризации, можно объяснить пылью. Реликтовое МП + фарадеевское вращение м.б. приводят к В-моде, «Инфлатонные флуктуации перешли в неоднородности плотности горячего вещества, на которых потом стала нарастать крупномасштабная структура Вселенной. »

1) К. Постнов. Гравитационные волны, «Постнаука», 2016.
2) В. Н. Руденко. «Поиск гравитационных волн». Глава из книги, Издательство «Век 2», 2007 г.
3) А. Левин. Рябь пространства-времени // «Популярная механика», №6, 2006.
4) С. Попов, М. Прохоров. Призрачные волны Вселенной, «Вокруг света», 2007.
5) В. М. Липунов. Гравитационно-волновое небо // СОЖ, Т. 6, №4, 2000.
6) Гравитационные волны, текстовая расшифровка беседы В. Б. Брагинского и М. В. Сажина в передаче Александра Гордона.
7) О. Андреева, М. Казанович. Если девушка попадет в дыру…, «Эксперт», 2012.
8) Точка зрения: Что изменит открытие гравитационных волн, «Постнаука», 12.02.2016.Игорь Иванов

Вселенная arxiv.org

сервис Paperscape — тематическая карта всех статей (больше миллиона) епринтов arxiv.org: физика частиц, астрофизика, конденсированные среды, и т.д. Каждая статья — это кружочек, размер которого пропорционален цитируемости статьи, цвет показывает тот раздел архива, где она появилась.  не произвольно, а в согласии с «силовым взаимодействием», обратно пропорционально расстоянию и притягивается к другим статьям по закону Гука через резиночки-цитирования. …ищется наиболее энергетически выгодная конфигурация, в духе методов молекулярно-динамического моделирования. Все «галактики», скопления, разреженные зоны на карте получаются отсюда сами собой. ..наглядным и релевантным.  Дальше »

растет ли масса тела со скоростью или нет, Окунь максимально доступным языком объяснил релятивистски-инвариантное понятие массы и что понятие растущей со скоростью «релятивистской массы» — это педагогический вирус- см.отдельную книжку. Но в комментариях  Элементов Окунь «постановил», что масса от скорости не зависит, в то время как  Борн, Паули, Фейнман писали, что масса со скоростью растет? про инвариантную массу). Энергия — со скоростью растет, энергия покоя и масса — нет. Несмотря на то, что формально можно использовать величину «релятивистская масса» (т.е. просто энергия, деленная на c2), она не несет никакой полезной нагрузки, а только плодит ненужные

Теорию гравитации развили до квантов бывшие ядерщики, Сахаров и наш  Зельдович, со стороны Ч Д- Уилера. Торн любит рассказывать историю о том, как в Москве 1971 года был разбужен звонком Зельдовича часов в пять утра. Яков Борисович, известный своими привычками жаворонка, потребовал, чтобы Торн срочно к нему приехал. Вращающиеся черные дыры, утверждал Зельдович, будут излучать мощнейшие гравитационные волны. Их надо искать и ловить. «Чушь! — возражал не до конца проснувшийся Торн. — С какой стати?! Земля тоже вращается и ничего особенного не излучает». Зельдович хватался за голову и возмущался глупостью своего юного коллеги (Торну тогда было всего-то 31 год). «Они будут излучать гравитацию так же, как вращающийся металлический диск будет порождать электромагнитное поле!» — утверждал Зельдович. Торн терпеливо выслушивал и  расчеты, совместные работы Торна и Стивена Хокинга о черных дырах. последующие пять лет, показали, что Зельдович был  прав. Вращающиеся черные дыры действительно порождают мощнейшие гравитационные волны. А если  дыры сталкиваются получим один из самых сильных гравитационных спазмов Вселенной! Так был найден объект поиска, чья гравитационная энергия максимальна и может быть зафиксирована. С этого момента вся жизнь Торна в науке подчинена исключительно этому грандиозному сюжету.

В 1973 году молодой Кип Торн вместе со своим учителем, другим великим физиком XX века Джоном Уилером, написал основополагающий труд под названием «Гравитация», входит в число обязательных и настольных для всех серьезных физиков мира (Чарльза Минзера,Кипа Торна и Джона Уилера, ранней «библией» ОТО[1], называют MTW, по инициалам, с нелинейным материалом — коммент.). После смерти Уилера Торн остался одним из очень немногих людей на планете, которые знают о гравитации все, что о ней вообще можно знать. Пари 1974  между Торном и Хокингом, о галактике Лебедь Х-1, где  мощное рентгеновское излучение, что дыра есть или нет- если Хокинг победит, все его представления о Вселенной можно будет выбросить, во втором знаменитом пари — между Торном и Хокингом с одной стороны и физиком Джоном Прескиллом — с другой, на полное издание Британской энциклопедии.

В 81-м году убедили Национальный фонд научных исследований выделить  деньги на прототип антенны,  Рон Дривер, Рэй Уайс и Кип Торн, член нашей российской Академии Наук, почётный доктор МГУ – теоретик, остальные – экспериментаторы делали прототип, с 81-го года по 96-й, 15 лет измерять маленькие колебания, пока Национальный Фонд научных исследований США решил – пора вкладывать деньги в эту программу, «doable»: это можно сделать. И вместо 40 метров сделали машину. По Хансу Бете и Брауну, его соавтору, частота слияний НЗ раз в десять тысяч лет на галактику.

Торн 72 лет обещал, что к 2017 году мы уже сможем ввести это явление в царство наблюдаемого. …с 80-х.От киноманских сайтов, Торн в десятке научно-популярных фильмов  играл там самого себя в качестве ведущего. В новом фильме Стивена Спилберга (рабочее название «Интерстеллар») Торн выступает в качестве сценариста. черные дыры привели его в Голливуд.— Девять лет я был холостяком, —встречался с женщинами всего города, включая, конечно, Голливуд. Мой друг Карл Саган, замечательный физик, Линда Обст, она тогда начинала карьеру продюсера в Голливуде. с 2005 года, стали иногда вместе обедать. Как-то за обедом мы придумали забавный сценарий в жанре научной фантастики. В это время Спилберг как раз заключил контракт с «Парамаунтом». Линда среди прочего предложила ему нашу идею. Он тут же перезвонил ей и попросил прислать заявку на сценарий к пяти часам — двадцатистраничное описание истории, характеров и так далее. за 33 часа мы написали 20 страниц. Спилберг тут же заявил, что будет это снимать. 2006 году. Сейчас мы в середине пути. Сценарий по нашей идее написал Джонатан Нолан. про Бэтмена написал, сильно изменил сюжет, но наука осталась. Там, конечно же, будут черные дыры и все такое. эти игры? Для меня это опыт контакта с людьми, до которых по-другому я никогда не достучусь. Я хочу сделать DVD или книгу о научной стороне этого фильма.

что называю «деформированной стороной Вселенной», —объекты, которые состоят исключительно или по большей части из искривленного пространства-времени. Нейтронные звезды на пятнадцать и более процентов состоят из искривленного пространства-времени. Из него же состоит около восьмидесяти пяти процентов вещества черных дыр и сто процентов гравитационных волн. главная интрига современной физики. Факт искривления пространства-времени Вселенной теоретически установил еще Эйнштейн в начале прошлого века. Вся общая теория относительности (сокращенно ОТО). Почему-то нашему пространству удобней быть изогнутым, нелинейным, а лучу света почему-то удобней бежать по дуге. Вопрос — почему? Искривление и гравитация суть одно и то же  — самое первое поле Вселенной, а гравитационные волны, соответственно, ее самые первые волны. Они, а не пресловутый бозон Хиггса, который только что обнаружили в Большом адронном коллайдере, появились в первый миг бытия мира.

Если вы имеете дело с планетами или звездами, то гравитация — это то, что описано Ньютоном: закон всемирного тяготения. Если вам нужна гораздо более высокая точность, но при этом вы не вторгаетесь в квантовую область, то гравитация — это то, что описано Эйнштейном: искривление пространства-времени. Но если вас интересует центр черной дыры, рождение Вселенной или связь между гравитацией и фундаментальными частицами, то гравитация — это феномен, природы которого мы еще не знаем. прогресс в физике будет связан с пониманием того, как сочетать ОТО и квантовую механику. Это понимание откроет глаза на самые важные вопросы: какова природа рождения Вселенной, есть ли другие вселенные, что внутри черной дыры и даже можно ли путешествовать назад во времени. Но любые предсказания здесь будут безответственны. должна родиться еще неведомая теория квантовой гравитации, поисками которой занимался весь научный XX век.

Владимир Брагинский- в 70-е в подвале университетского физфака были установлены самые первые детекторы, долженствующие различить искомые волны среди густого месива других волн. Гравитацию тогда пытались ловить так называемыми весами Этвеша… прибор честно фиксировал момент, когда последние трамваи с Университетского проспекта дружной толпой отправлялись в парк. Земля, и Солнце отлично демонстрируют ньютоновский закон всемирного тяготения, но в смысле гравитационных волн …  — С точки зрения фундаментальных понятий (1а- по всем понятиям) черные дыры, сталкиваясь, неизбежно обнаруживают нелинейную динамику искривленного пространства-времени. год назад группа молодых исследователей придумала новый метод, который позволяет увидеть картину в целом.вместо девушки на экране появляются два аккуратных пятнышка, желтое и синее. Пятна, объясняет Торн, — это черные дыры, а цвета обозначают направления вращения: по часовой стрелке и против. По мере сближения пятна вытягиваются навстречу друг другу, а цвета начинают меняться местами. Желтое пятно синеет, синее желтеет. Постепенно оба пятна сливаются в одно, синий и желтый цвета долго пульсируют на его поверхности. Это модель. В реальности же каждое из двух скромных пятнышек на экране представляет собой нечто вроде пучка из колоссальных торнадо, где вместо воздушной воронки вращается воронка пространства.  — В районах полюсов черной дыры возникает как бы вихрь, я это называю вортекс, — говорит Торн. — Если вы хотите совсем простой картинки, то эти вихри-вортексы связаны с вращающейся черной дырой так же, как мои руки связаны с моим телом, когда я кручусь на одном месте. На северном полюсе каждой дыры вортекс закручивается по часовой стрелке, а на южном — против часовой. При этом сами черные дыры вращаются в разные стороны. Когда они сталкиваются, внутри такого конгломерата возникает внутренняя вибрация. В этот момент черные дыры обмениваются завихрениями, то есть направлениями вращений этих вортексов….девушка падает, допустим, на северный полюс черной дыры, происходит следующее. Там есть эффект турбулентности. Он все закручивает. При этом голова и ноги закручиваются в разные стороны. Любой протяженный предмет будет разорван на две части. Из-за разницы в скоростях вращения голова будет видеть ноги, вращающиеся против часовой стрелки, а ноги увидят голову вращающейся по часовой стрелке. То есть наблюдатель со стороны видит, что они вращаются в разные стороны. В метафоре Зельдовича, которую Торн впервые услышал ранним утром 1971 года: металлический диск, порождающий электромагнитное поле. Где поле, там и волна. На таинственное сходство гравитации и электромагнетизма обращали внимание давно. Но именно Торн первым догадался, как ураган пространства вокруг черных дыр воспроизводит …— Так же, как движущийся заряд рождает переменное электромагнитное поле, — поясняет Торн ключевой момент теории, — движущиеся гравитационные вихри рождают вторичное, связанное поле. Когда это связанное поле перемещается по пространству, оно создает волну искривления. Пространство начинает содрогаться, что и порождает гравитационную волну.

Сам пространственный вихрь, исходящий из полюса черной дыры, Торн именует вортексом, а расходящееся вокруг вторичное поле — тендексом. При этом вортекс оказывается аналогом электрического поля, а тендекс — магнитного.

Во время катастрофических столкновений черных дыр такие судороги прокатываются по Вселенной со скоростью около 400 км/с. Мощность этих волн колоссальна. при столкновении черных дыр 10% их массы превращается в гравитационное излучение. в Большом адронном коллайдере, в гравитационные волны уходит лишь менее 0,5% их массы. «Светимость» (то есть, грубо говоря, энергия) порождаемой гравитационной волны составляет примерно 10% совокупной энергии сталкивающихся черных дыр. Это приблизительно 10 тысяч «светимостей» гравитационных излучений всех звезд Вселенной вместе взятых. «Светимость» гравитационной волны двух столкнувшихся черных дыр превысит гравитационную «светимость» Солнца в 1034 раза.— Разрешите мне сделать предсказание, —ближайших лет пяти мы сможем детектировать гравитационные волны наземными приборами. Их частоты будут располагаться в диапазоне от 10 до 10 000 гц. Черные дыры, их испустившие, будут соответствовать от двух до тысячи масс Солнца.

Гравитационные уши

лет тридцать назад специалисты нескольких ведущих физических лабораторий мира под руководством Торна начали создавать прообразы так называемых интерферометров, использующих для наблюдения фазовый сдвиг лазерного луча. От гравитационной волны поверхность зеркала испытает некое искажение, а приборы покажут некоторый сдвиг фаз при прохождении луча. .. сложнейшую конструкцию в форме буквы «г» с двумя четырехкилометровыми плечами и высоким вакуумом внутри.

Два года Торн уговаривал Национальный научный фонд США (NSF) вложиться … 365 миллионов долларов. Кроме твердой веры Торна, никаких других доказательств потенциальной эффективности идеи в природе не существовало. В 1992 году чудо случилось. Контракт с NSF был подписан. Кип Торн вместе с двумя коллегами основал лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию, или проект LIGO, ставший самой дорогостоящей инициативой NSF за всю историю его существования.

— Сейчас в LIGO участвуют 150 ученых из 75 стран мира. Когда в 89-м году мы предложили этот проект, — вспоминает Торн, — нам пришлось разбивать его на два этапа. Чуть меньше двух лет назад мы наконец перешли к инсталляции интерферометров, нацеленных собственно на засекание волн. Их установка закончится к концу 2013 года. Еще три года я кладу на настройку. И вот к 17-му году я прогнозирую возможность успеха.

Фантастические по сложности и точности Г-образные громады уже построены в Ливингстоне (штат Луизиана), Хэнфорде (штат Вашингтон), Пизе и Ганновере. Эти гравитационные уши способны фиксировать сигнал с точностью до 10–22, находящийся на расстоянии 4 миллиардов световых лет.

Разность хода луча на расстоянии четыре километра между зеркалами составляет 10–4 секунды! переход к принципиально новому классу измерений на границе так называемого стандартного квантового предела. — Впервые в истории мы будем наблюдать квантовое поведение объектов человеческого масштаба, — объясняет Торн. — Это смена парадигмы мышления в макроскопических измерениях. … с принципом неопределенности Гайзенберга. До LIGO все наблюдения в макромире могли быть неточны только по причинам человеческого фактора. …мысль о том, что 40-килограммовые зеркала интерферометров будут вести себя как квантовые объекты, впервые посетила не Торна, а все того же профессора Брагинского. Последний потратил лет двадцать на то, чтобы убедить американского коллегу в необходимости учитывать принцип Гайзенберга в экспериментах. Торн совершенно не верил, что Брагинский говорит это всерьез. Только перейдя к установке действующих интерферометров, Торн столкнулся с этим эффектом на практике. Пришлось просить Брагинского придумать систему, которая бы гасила квантовую повреждаемость объекта. Иначе интерферометры снова показывали бы только движение трамваев.

Зачем мне бог?

Он один из десятка ученых, которые отвечают за мировой научный фронтир и определяют содержание учебников физики на ближайшие лет пятьдесят. Свой научный бизнес этот хиппи умеет делать так, что за его результатами следит весь мир.Чего стоят его знаменитые пари! Первое, заключенное между Торном и Хокингом, было оформлено документально в 1974 году. Спор шел о галактике Лебедь Х-1. Судя по данным астрономов, там располагался некий объект, испускающий мощное рентгеновское излучение. И Торн, и Хокинг страстно хотели, чтобы это была черная дыра — …2— Куда девается информация из черных дыр. Вы с Хокингом утверждали, что она уходит в параллельную Вселенную и полностью теряется, а Прескилл считал, что она возвращается в наш мир, но такой, что расшифровать ее уже невозможно. черная дыра, возникшая в результате сжатия части пространства, потом полностью испаряется. Если при этом информация из  черной дыры бесследно исчезает, это нарушает фундаментальные принципы квантовой теории. По крайней мере в том виде, в котором большинство физиков их формулируют. Но есть и другие способы их формулировать. Ричард Фейнман, например, считал, что, если информация невосстановимо покидает черную дыру, никакого нарушения нет. Хокинг и я предположили, что прав все-таки Фейнман. При очень большой кривизне пространства фейнмановские принципы действительно дают возможность путешествия назад во времени, а стало быть, начинаются неприятности с сохранением информации.

В 1988 году Торн опубликовал знаменитую статью про кротовые норы и машину времени, где доказал, что путешествия во времени не противоречат базовым законам Вселенной. Ехидный Хокинг поместил в своей книге «Мир в ореховой скорлупке» небольшой комикс, посвященный Торну. По хокинговской версии, Торн, отправившись на машине времени в прошлое, случайно  убивает Торна-старшего. В результате убийца уже не может существовать в прежнем виде: …что информация не теряется. Это было на конференции в Дублине в 2004 году. Хокинг тогда прочитал большую лекцию, где отказался от нашей первоначальной аргументации и признал победу Прескилла. Честно сказать, я его доказательства не понял. Точка зрения некоторых очень хороших физиков отличается от хокинговской. Они склоняют меня все еще считать пари открытым. Все зависит от того, как мы представляем себе законы квантовой гравитации…. Я рассчитывал обнаружить гравитационные волны еще в начале 90-х годов, когда запускали проект LIGO. Потом я предсказывал, что мы увидим их к 2000 году…  виню лично президента США Буша-младшего и его стратегию «никаких новых проектов». Виню я и NАSА. страшно боятся всего, что не гарантировано на сто процентов.

— Нужен ли вам бог в ваших исследованиях? — спрашиваем мы. Вопрос не случаен. Торн приехал в Москву, чтобы выступить на научной конференции, посвященной памяти его старого друга и коллеги физика Виталия Гинзбурга, который был известен как воинствующий атеист, считающий религиозность несовместимой с наукой. Научная молодежь с ним не соглашалась.

…-неинтересен. Гипотеза бога, как мне кажется, совершенно бесполезна. Может быть, это связано с той областью, которой я занимаюсь. Я пытаюсь понять, как Вселенная работает. Это моя всепоглощающая страсть. Я фундаментальный ученый. Зачем мне бог, если я занимаюсь тем же самым?

Роль слабых взаимодействий в биополимерах

Детали: по E=mc2 . Мощность гравитационного излучения при коллапсе 1050 Вт. Много больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд, до 1052 Вт. Но самый лучший источник излучения — столкновение черных дыр, поскольку их массы могут превышать массы нейтронных звезд не только в разы, но и в миллионы и даже миллиарды раз. В марте 2006 года американские астрофизики опубликовали вид компьютерной симуляции гравитационных волн, всплесков.

Гравитационные резонаторы: Вебер и другие

Возможность детектирования гравитационных волн обосновал в 1957 году английский физик Феликс Пирани (Felix Pirani), на работы которого опирался Вебер. Он скончался 31 декабря 2015 года, может, узнав о событии. Книга английского социолога науки Harry Collins, Gravity’s Shadows  подробно разбирает все аспекты наблюдений Вебера с разных точек зрения,   некорректный Data Massaging —  изобретаемые фильтры, не оценивая достоверность — он служил во время войны на кораблях и слушал сигналы от подводных лодок, где вероятность ложной тревоги не очень страшна, тогда как пропуск сигнала катастрофичен. В науке наоборот

Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезоэлектрическими датчиками на торцах. отвечают на вибрацию электрической поляризацией, 10−15 его длины — в данном случае 10−13 см. сообщил в 1969 году на страницах Physical Review Letters. Все попытки повторить эти результаты оказались тщетными. теоретически до 10−18  вероятнее до 10−20).

от Иванова:

Для Ч.Д. — на расстоянии порядка их гравитационного радиуса. Искажения метрики будут столь сильными, что заметная часть энергии этой пары будет излучаться в гравитационные волны. Теряя энергию, пара будет сближаться, кружась всё быстрее, искажая метрику всё сильнее и порождая еще более сильные гравитационные волны, — пока, наконец, не произойдет кардинальная перестройка всего гравитационного поля этой пары и две черных дыры не сольются в одну.  уходит вся эта излученная энергия не в свет, не в частицы, а в колебания пространства. Излученная энергия составит заметную часть от исходной массы черных дыр, и выплеснется это излучение за доли секунды. Аналогичные колебания будут порождать и слияния нейтронных звезд. Чуть более слабый гравитационно-волновой выброс энергии сопровождает и другие процессы, например коллапс ядра сверхновой. очень конкретный, хорошо вычисляемый профиль, показанный на рис. 3. Период колебаний задается орбитальным движением двух объектов друг вокруг друга. Гравитационные волны уносят энергию; как следствие, объекты сближаются и крутятся быстрее — и это видно как по убыстрению колебаний, так и по усилению амплитуды. В какой-то момент происходит слияние, выбрасывается последняя сильная волна, а затем следует высокочастотный «послезвон» (ringdown) — дрожание образовавшейся черной дыры, которая «сбрасывает» с себя все несферические искажения

до Земли, колебания метрики будут порядка 10−22 или даже меньше. Иными словами, расстояние между физически не связанными друг с другом предметами будет периодически увеличиваться и уменьшаться на такую относительную величину. из масштабных соображений (см. статью В. М. Липунова «Гравитационно-волновое небо»). В момент слияния нейтронных звезд или черных дыр звездных масс искажения метрики прямо рядом с ними очень большие — порядка 0,1, на то это и сильная гравитация. Столь суровое искажение затрагивает область порядка размеров этих объектов, то есть несколько километров. При удалении от источника амплитуда колебания падает обратно пропорционально расстоянию. Это значит, что на расстоянии 100 Мпк = 3·1021 км амплитуда колебаний упадет на 21 порядок и станет порядка 10−22.

Конечно, если слияние произойдет в нашей родной галактике, дошедшая до Земли дрожь пространства-времени будет куда сильнее. Но такие события происходят раз в несколько тысяч лет. Поэтому десятки-сотни мегапарсек, а значит, охватит многие тысячи и миллионы галактик. косвенное указание на существование гравитационных волн уже было обнаружено, и за него даже присудили Нобелевскую премию по физике за 1993 год. Многолетние наблюдения за пульсаром в двойной системе PSR B1913+16 показали, что период обращения уменьшается ровно такими темпами, которые предсказывает ОТО с учетом потерь энергии на гравитационное излучение. По этой причине практически никто из ученых в реальности гравитационных волн не сомневается; вопрос лишь в том, как их поймать.

(J. Weber, 1969. Evidence for Discovery of Gravitational Radiation). на два километра  амплитуда колебаний оказалась неправдоподобно большой, порядка 10−16, то есть в миллион раз больше типичного ожидаемого –но  дали толчок всей этой области исследований и запустили охоту за волнами. С 1970-х  Владимира Брагинского и его коллег из МГУ,и СССР (см. статью 1972 года об отсутствии гравитационно-волновых сигналов). Интересно  Если девушка попадет в дыру…. Брагинский, кстати, — один из классиков всей теории квантовых оптических измерений; он первым пришел к понятию стандартного квантового предела измерений — ключевому ограничению в оптических измерениях — и показал, как их в принципе можно преодолевать. Резонансная схема Вебера совершенствовалась, и благодаря глубокому охлаждению установки шумы удалось резко снизить (см. список и историю этих проектов). Однако точность таких цельнометаллических детекторов и настроены резонировать лишь на очень узком диапазоне частот вблизи килогерца. Намного более перспективными казались детекторы, в которых используется не один резонирующий объект, а отслеживается расстояние между двумя не связанными друг с другом, независимо подвешенными телами, например двумя зеркалами. Из-за колебания пространства, вызванного гравитационной волной, расстояние между зеркалами будет то чуть больше, то чуть меньше. При этом чем больше длина плеча, тем большее абсолютное смещение вызовет гравитационная волна заданной амплитуды. Эти колебания сможет почувствовать лазерный луч, бегающий между зеркалами. Такая схема способна регистрировать колебания в широком диапазоне частот, от 10 герц до 10 килогерц, и это именно тот интервал, в котором будут излучать сливающиеся пары нейтронных звезд или черных дыр звездных масс.

Современная реализация этой идеи на основе интерферометра Майкельсона -километров, перпендикулярных друг другу вакуумных камерах подвешиваются зеркала. На входе в установку лазерный луч расщепляется, идет по обеим камерам, отражается от зеркал, возвращается обратно и вновь соединяется в полупрозрачном зеркале. Добротность …при длине плеча 4 км это отвечает колебаниям пространства-времени с амплитудой 10−10. Заметить смещение зеркал на диаметр атома тоже не представляет проблем — достаточно запустить лазерный луч, который пробежит туда-сюда тысячи раз и получит нужный набег фазы. Но и это дает от силы 10−14. А нам нужно спуститься по шкале смещений еще в миллионы раз, то есть научиться регистрировать сдвиг зеркала даже не на один атом, а на тысячные доли атомного ядра!… повесить массивные зеркала на подвесе, который висит на другом подвесе, тот на третьем подвесе и так далее — и всё для того, чтобы максимально избавиться от посторонней вибрации. Другие проблемы тоже инструментальные, но оптические. Например, чем мощнее луч, циркулирующий … будет неравномерно нагревать оптические элементы, в 2000-х Преодолено препятствие на пути к высокочувствительному детектору гравитационных волн, «Элементы», 27.06.2006). Наконец, есть чисто фундаментальные физические ограничения, связанные с квантовым поведением фотонов в резонаторе и принципом неопределенности. Они ограничивают чувствительность датчика величиной, которая называется стандартный квантовый предел. Однако физики с помощью хитро приготовленного квантового состояния лазерного света уже научились преодолевать и его (J. Aasi et al., 2013. Enhanced sensitivity of the LIGO gravitational wave detector by using squeezed states of light). и в России, в Баксанской обсерватории, и о ней, кстати, рассказывается в документальном научно-популярном фильме Дмитрия Завильгельского «В ожидании волн и частиц». Лидерами этой гонки сейчас являются две лаборатории — американский проект LIGO и итальянский детектор Virgo. LIGO включает в себя два одинаковых детектора, расположенных в Ханфорде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана) и разнесенных друг от друга на 3000 км. 10 миллисекунд — можно примерно определить, из какой части неба этот сигнал пришел. Virgo, точность заметно повысится.

идея интерферометрического детектирования гравитационных волн была предложена советскими физикам М. Е. Герценштейном и В. И. Пустовойтом в далеком 1962 году. Тогда только-только был придумал лазер, а Вебер приступал к созданию своих резонансных детекторов. Однако эта статья не была замечена на западе и, говоря по правде, не повлияла на развитие реальных проектов (см. исторический обзор Physics of gravitational wave detection: resonant and interferometric detectors). LIGO было инициативой трех ученых из Массачусетского технологического института (MIT) и из Калифорнийского технологического института (Калтеха). Это Райнер Вайсс (Rainer Weiss), который реализовал идею интерферометрического гравитационно-волнового детектора, Рональд Дривер (Ronald Drever), добившийся достаточной для регистрации стабильности лазерного света, и Кип Торн, теоретик-вдохновитель проекта, ныне хорошо известный широкой публике в качестве научного консультанта фильма «Интерстеллар». в недавнем интервью Райнера Вайсса и в воспоминаниях Джона Прескилла. проект LIGO. Его строили в течение всего последнего десятилетия XX века. финансово и интеллектуально, 15 стран, и членами коллаборации числятся свыше тысячи человек. упомянутая группа Владимира Брагинского из МГУ, Институт прикладной физики из Нижнего Новгорода. LIGO заработала в 2002 году и вплоть до 2010 года на ней прошло шесть научных сеансов наблюдений. Никаких гравитационно-волновых всплесков -вероятность достаточно мощного катаклизма была невелика: примерно один раз в несколько десятков лет.

Финишная прямая

С 2010 по 2015 годы коллаборации LIGO и Virgo кардинально модернизировали аппаратуру (Virgo, впрочем, еще в процессе подготовки), aLIGO (Advanced LIGO) — теперь была готова отлавливать всплески, порожденные нейтронными звездами, на расстоянии 60 мегапарсек, и черными дырами — в сотни мегапарсек. Объем Вселенной, открытой в десятки раз. рассчитывать на несколько слияний нейтронных звезд в год, вердикт был предельно ясным: либо всплески посыплются один за другим, либо что-то в ОТО принципиально не работает. И то, и другое станет большим открытием.

С 18 сентября 2015 года до 12 января 2016 года прошел первый сеанс наблюдений aLIGO. В течение всего этого времени по интернету гуляли слухи о регистрации гравитационных волн, но коллаборация хранила молчание: «мы набираем и анализируем данные и пока не готовы сообщить о результатах». искусственно внедряется сгенерированный на компьютере всплеск. Он называется «слепой вброс», blind injection,

фильме «В ожидании волн и частиц».  Открытие

11 февраля всё открылось. Коллаборация LIGO провела пресс-конференцию, и одновременно в журнале Physical Review Letters вышла совместная статья коллабораций LIGO и Virgo Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, прямым текстом сообщающая об открытии гравитационных волн. Причем GW150914, было зарегистрировано еще 14 сентября, то есть за четыре дня до официального старта наблюдательного сеанса, когда детекторы уже находились в полностью рабочем режиме и завершались последние технические проверки… в заметке Here’s the first person to spot those gravitational waves. нарастает по амплитуде и по частоте колебание нужной формы. Сравнение с результатами численного моделирования позволило выяснить, слияние каких объектов мы наблюдали: это были черные дыры с массами примерно 36 и 29 солнечных масс, которые слились в одну черную дыру массой 62 солнечных массы (погрешность всех этих чисел, отвечающая 90-процентному доверительному интервалу, составляет 4 солнечных массы). Авторы мимоходом замечают, что получившаяся черная дыра — самая тяжелая из когда-либо наблюдавшихсячерных дыр звездных масс. Разница между суммарной массой двух исходных объектов и конечной черной дырой составляет 3±0,5 солнечных масс. Этот гравитационный дефект масс примерно за 20 миллисекунд полностью перешел в энергию излученных гравитационных волн. Расчеты показали, что пиковая гравитационно-волновая мощность достигала 3,6·1056 эрг/с, или, в пересчете на массу, примерно 200 солнечных масс в секунду.

Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914, опубликованной в тот же день в журнале The Astrophysical Journal Letters, авторы оценили, с какой частотой происходят такие слияния черных дыр. Получилось как минимум одно слияние в кубическом гигапарсеке за год, что сходится с предсказаниями наиболее оптимистичных в этом отношении моделей.

О чем расскажут гравитационные волны

Открытие нового явления после десятилетий поисков — это не завершение, а лишь начало нового раздела физики. 1- прямое доказательство и существования черных дыр, и существования двойных черных дыр, и реальности гравитационных волн, и, если говорить вообще, доказательство правильности геометрического подхода к гравитации, на котором базируется ОТО. Но 2- новый способ рассматривать Вселенную и изучать космические катаклизмы. Для гравитационных волн нет препятствий, они без проблем проходят вообще сквозь всё во Вселенной. Они самодостаточны: их профиль несет информацию о породившем их процессе. Наконец, если один грандиозный взрыв породит и оптический, и нейтринный, и гравитационный всплеск, то можно попытаться поймать все их, сопоставить друг с другом, и разобраться в недоступных ранее деталях,— главная цель  всесигнальной астрономии.

Когда детекторы гравитационных волн станут еще более чувствительными, они смогут регистрировать дрожание пространства-времени не в сам момент слияния, а за несколько секунд до него. Они автоматически пошлют свой сигнал-предупреждение в общую сеть наблюдательных станций, и астрофизические спутники-телескопы, вычислив координаты предполагаемого слияния, успеют за эти секунды повернуться в нужном направлении и начать съемку неба до начала оптического всплеска.

Во-вторых, гравитационно-волновой всплеск позволит узнать новое про нейтронные звезды, самые интересные объекты во Вселенной. Слияние нейтронных звезд — это, фактически, самый последний и самый экстремальный эксперимент — Наблюдательные последствия разнообразны (рис. 10), и, набрав их статистику, мы сможем лучше понимать поведение нейтронных звезд в таких экзотических условиях. Обзор современного состояния дел в этом направлении можно найти в недавней публикации S. Rosswog, 2015. Multi-messenger picture of compact binary mergers.

В 2016 году мы наверняка услышим о слиянии двух нейтронных звезд, еще не было гравитационно зафиксировано. важно одновременно увидеть короткий гамма-всплеск и гравитационно-волновой сигнал от того же самого события. возможность наблюдать столкновения -узнать, как они устроены внутри.  14 сентября  доказательство существования черных дыр, похожих на наши базовые представления о них.

*LIGO были зарегистрированы ещё по крайней мере две гравитационные волны 12 октября и 26 декабря 2015: http://motls.blogspot.ru/2016/02/the-gates-octahedral-gravitational-wave.html#more

General Relativity and Quantum Cosmology (gr-qc new, recent, find)Condensed Matter (cond-mat new, includes: Disordered Systems and Neural Networks; Materials Science; Mesoscale and Nanoscale Physics; Other Condensed Matter;

Atmospheric and Oceanic Physics; Atomic Physics; Atomic and Molecular Clusters; Biological Physics; Chemical Physics; Classical Physics; Computational Physics; Data Analysis, Statistics and Probability; Fluid Dynamics; General Physics; Geophysics; History and Philosophy of Physics; Instrumentation and Detectors; Medical Physics; Optics;Physics Education; Physics and Society; Plasma Physics; Popular Physics; Space Physics

В. Кон, Дж.А. Попл «Нобелевские лекции по химии — 1998» 172 335 (2002)
П.К. Лотербур, П. Мэнсфилд «Нобелевские лекции по физиологии и медицине — 2003» 175 1039 (2005)