Спросите Итана: если свет сжимается и расширяется вместе с пространством, как мы можем засечь гравитационные волны?

Автор оригинала: Ethan Siegel
  • Перевод

Вид с воздуха на детектор гравитационных волн Virgo, расположенный в муниципалитете Кашина близ города Пиза в Италии. Virgo – это гигантский лазерный интерферометр Майкельсона с плечами длиной по 3 км, дополняющий два одинаковых детектора LIGO длиной по 4 км.

За последние три года у человечества появился новый тип астрономии, отличающийся от традиционных. Для изучения Вселенной мы уже не просто ловим свет телескопом или нейтрино при помощи огромных детекторов. Кроме этого, мы также впервые можем видеть рябь, присущую самому пространству: гравитационные волны. Детекторы LIGO, которые теперь дополняет Virgo, и скоро будут дополнять ещё KAGRA и LIGO India, обладают чрезвычайно длинными плечами, которые расширяются и сжимаются при проходе гравитационных волн, выдавая обнаруживаемый сигнал. Но как это работает? Наш читатель спрашивает:
Если длины волн света растягиваются и сжимаются вместе с самим пространством-временем, как LIGO может обнаружить гравитационные волны? Они ведь расширяют и сжимают два плеча детектора, поэтому волны внутри них тоже должны расширяться и сжиматься. Разве укладывающееся в плечо количество длин волн не будет оставаться постоянным, в результате чего интерференционная картина не будет меняться, и волны будет нельзя засечь?

Это один из самых распространённых парадоксов, которые представляют себе люди, размышляющие о гравитационных волнах. Давайте разберёмся и найдём ему решение!


По сути, система типа LIGO или LISA – это просто лазер, луч которого проходит через разветвитель, и идёт по одинаковым перпендикулярным путям, а потом снова сходится в один и создаёт картину интерференции. С изменением длины плеча меняется и картина.

Детектор гравитационных волн работает так:

  • Создаются два длинных плеча одинаковой длины, в которую укладывается целое количество определённых длин волн света.
  • Из плеч удаляется вся материя и создаётся идеальный вакуум.
  • Когерентный свет той же длины волны расщепляется на две перпендикулярных компоненты.
  • Одна отправляется по одному плечу, другая – по другому.
  • Свет отражается от двух концов каждого плеча по многу тысяч раз.
  • Потом он рекомбинируется, создавая интерференционную картину.


Если длина волны остаётся одной и той же, и скорость прохождения света по каждому плечу не меняется, тогда свет, движущийся в перпендикулярных направлениях, прибудет в одно и то же время. Но если в одном из направлений ощущается встречный или попутный «ветер», с прибытием получится задержка.

Если картина интерференции совсем не меняется в отсутствии гравитационных волн, вы знаете, детектор настроен правильно. Вы знаете, что учли шум, и что эксперимент устроен верно. Именно над такой задачей LIGO бился почти 40 лет: над попыткой правильно откалибровать их детектор и довести чувствительность до отметки, в которой эксперимент сможет распознавать истинные сигналы гравитационных волн.

Величина этих сигналов невероятно мала, и поэтому было так сложно достичь необходимой точности.


Чувствительность LIGO как функция времени, по сравнению с чувствительностью эксперимента Advanced LIGO. Всплески появляются из-за различных источников шума.

Но достигнув желаемого, вы уже можете начинать поиски реального сигнала. Гравитационные волны уникальны среди всех различных типов излучений, появляющихся во Вселенной. Они не взаимодействуют с частицами, а представляют собой рябь самой ткани пространства.

Это не монопольное (переносящее заряд) и не дипольное (как колебания электромагнитных полей) излучение, а форма квадрупольного излучения.

И вместо совпадающих по фазе электрических и магнитных полей, идущих перпендикулярно направлению движения волны, гравитационные волны попеременно растягивают и сжимают пространство, через которое проходят, в перпендикулярных направлениях.


Гравитационные волны распространяются в одном направлении, попеременно растягивая и сжимая пространство в перпендикулярных направлениях, определяемых поляризацией гравитационной волны.

Поэтому наши детекторы и устроены именно так. Когда гравитационная волна проходит через детектор типа LIGO, одно из его плеч сжимается, а другое – расширяется, и наоборот, давая картину взаимного колебания. Детекторы специально расположены под углами друг к другу и в разных местах планеты, чтобы вне зависимости от ориентации проходящей сквозь них гравитационной волны, этот сигнал не влиял, по крайней мере, на один из детекторов.

Иначе говоря, вне зависимости от ориентации гравитационной волны, всегда будет существовать детектор, у которого одно плечо укорачивается, а другое – удлиняется предсказуемым колебательным образом, когда волна проходит сквозь детектор.


Что это означает в случае со светом? Свет всегда движется с постоянной скоростью с, составляющей 299 792 458 м/с. Это скорость света в вакууме, и внутри плеч LIGO есть вакуумные камеры. И когда гравитационная волна проходит через каждое из плеч, удлиняя или укорачивая его, она также удлиняет или укорачивает длину волны находящегося внутри него света на соответствующую величину.

С первого взгляда у нас есть проблема: если свет удлиняется или укорачивается вместе с удлинением или укорачиванием плеч, тогда общая интерференционная картина не должна меняться при прохождении волны. Так подсказывает нам интуиция.


Пять слияний чёрных дыр с чёрными дырами, обнаруженных LIGO (и Virgo), и ещё один, шестой сигнал недостаточной значимости. Пока что наиболее массивная из ЧД, наблюдавшихся в LIGO, до слияния имела 36 солнечных масс. Однако в галактиках имеются сверхмассивные чёрные дыры, с массами, превышающими солнечную в миллионы или даже в миллиарды раз, и хотя LIGO не распознаёт их, LISA сможет это сделать. Если частота волны совпадает со временем, которое луч проводит в детекторе, мы можем надеяться её извлечь.

Но это работает не так. Длина волны, сильно зависящая от изменений пространства при проходе сквозь него гравитационной волны, не влияет на картину интерференции. Важно только количество времени, за которое свет проходит через плечи!

Когда гравитационная волна проходит через одно из плеч, она меняет эффективную длину плеча, и меняет расстояние, которое нужно пройти каждому из лучей. Одно плечо удлиняется, увеличивая время прохода, другое укорачивается, уменьшая его. При относительном изменении времени прибытия мы видим картину осцилляций, воссоздавая сдвиги интерференционной картины.


На рисунке показана реконструкция четырёх определённых и одного потенциального (LVT151012) сигнала гравитационных волн, обнаруженных LIGO и Virgo на 17 октября 2017. Самое последнее обнаружение чёрной дыры, GW170814, было сделано на всех трёх детекторах. Обратите внимание на краткость слияния – от сотен миллисекунд до 2 секунд максимум.

После воссоединения лучей появляется разница во времени их путешествия, и, следовательно, обнаружимый сдвиг в интерференционной картине. Сама коллаборация LIGO опубликовала интересную аналогию происходящего:

Представьте себе, что вы с другом хотите сравнить, сколько времени у вас займёт путь до конца плеча интерферометра и обратно. Вы соглашаетесь передвигаться со скоростью километра в час. Будто лазерные лучи LIGO, вы строго одновременно отправляетесь с угловой станции и передвигаетесь с одинаковой скоростью. Вы должны встретиться вновь строго одновременно, пожать друг другу руки и продолжить движение. Но, допустим, когда вы прошли половину пути до конца, проходит гравитационная волна. Одному из вас теперь нужно пройти большее расстояние, а другому – меньшее. Это значит, что один из вас вернётся раньше другого. Вы протягиваете руку, чтобы пожать руку друга, а её там нет! Вашему рукопожатию помешали! Поскольку вам известна скорость вашего перемещения, вы можете измерить время, которое потребуется вашему другу на возвращение, и определить, насколько дальше ему пришлось передвигаться, чтобы так опоздать.

Когда вы проделаете это со светом, а не с другом, вы будете измерять не задержку в прибытии (поскольку разница составит порядка 10-19 метров), а сдвиг в наблюдаемой интерференционной картине.


Когда два плеча имеют один размер, и гравитационные волны сквозь них не проходят, сигнал будет нулевым, и интерференционная картина постоянной. С изменением длины плеч сигнал оказывается реальным и колеблется, и интерференционная картина меняется во времени предсказуемым образом.

Да, действительно, свет испытывает красное и синее смещение при прохождении гравитационной волны через занимаемое им место. Со сжатием пространства сжимается и длина волны света, что делает её синее; с растяжением и волна растягивается, что делает её краснее. Однако эти изменения кратковременны и маловажны, по крайней мере, по сравнению с разницей в длине пути, который должен пройти свет.

Это и есть ключ ко всему: красный свет с длинной волной и синий с короткой тратят одинаковое время на преодоление одинакового расстояния, хотя у синей волны на это уйдёт больше гребней и провалов. Скорость света в вакууме не зависит от длины волны. Единственное, что имеет значение для интерференционной картины, это какое расстояние пришлось пройти свету.


Чем больше длина волны фотона, тем меньше его энергия. Но все фотоны, вне зависимости от длины волны и энергии, двигаются с одной скоростью: скоростью света. Количество длин волн, которое требуется, чтобы покрыть определённое расстояние, может меняться, но время на перемещение света будет одинаковым.

Именно изменение расстояния, которое проходит свет, при прохождении гравитационной волны через детектор определяет наблюдаемый сдвиг интерференционной картины. Когда волна проходит сквозь детектор, в одном направлении плечо удлиняется, а в другом – одновременно укорачивается, что приводит к относительному сдвигу длины путей и времени прохода по ним света.

Поскольку свет движется по ним со скоростью света, изменения длин волн не имеют значения; при встрече они окажутся в одном месте пространства-времени и их длины волн будут идентичными. Что важно, так это то, что один луч света проведёт в детекторе больше времени, и когда они снова встретятся, они уже будут не в фазе. Именно отсюда и проистекает сигнал LIGO, и именно так мы и засекаем гравитационные волны!

Больше статей на научно-популярную тему вы сможете найти на сайте Golovanov.net. Читайте также: почему дневные животные стали превращаться в ночных; почему не всё, что называется звездой, на самом деле звёзды; в чём смысл жизни; серию статей по космологии "Спросите Итана".

Напоминаю, что проект существует только благодаря поддержке читателей (банковские карты, яндекс.деньги, вебмани, биткоины, да хоть как). Спасибо всем, кто уже оказал поддержку!

Теперь поддержать проект можно и через сервис автоматической подписки Patreon!
Golovanov.net
71,00
Компания
Поддержать автора
Поделиться публикацией

Комментарии 116

    +4
      +2
      Правильно ли я понимаю, что для детекта гравитационной волны она обязана «зацепить» оба плеча? Или она не может «зацепить» только одно?
        +2
        На самом деле, она может «зацепить» одно плечо, если направление распространения параллельно одному из плечей. Сигнал будет все равно, только меньше.
        Как-то так:
        Амплитуда сигнала в зависимости от положения источника для разных поляризаций ГВ
        image
        +2
        Любопытно, что можно представить детектирование ГВ в двух разных системах отсчета (нормировках): в одной ГВ смещает зеркала и поэтому возникает сигнал, а в другой — зеркала неподвижны, и весь сигнал возникает от влияния ГВ на свет. Почитать детали можно тут, к примеру.
          0
          Хм. Интересно, а может ли быть так, что гравитация временно слегка отклоняет направление излучения? В этом случае детектор ведь тоже может зафиксировать излучение?
          0
          Получается, что весь эксперимент построен на предположении, что когда ткань пространства-времени растягивается, то «ткани пространства-времени становится больше», а не «ткань пространства-времени становится реже», по отношению к какому-нибудь внешнему наблюдателю нашей вселенной, если такой существует?
            0
            В целом исход эксперимента (детектирование) не зависит от системы отсчета (наблюдателя).
            «ткань пространства-времени становится реже»

            Не очень понятно, как она может стать «реже» — насколько мы знаем, пространство-время непрерывно, и «плотность» для него не особо имеет смысл.
              0
              Планковская длина считается предельным значением расстояния. Так что непрерывность под вопросом.
                +3
                У нас нет теории квантования пространства-времени. Планковская длина — чисто умозрительная величина, никак не возникающая в ОТО, а все аргументы о предельном расстоянии исходят из квантовой физики. А мы пока вынуждены отталкиваться только от ОТО, где пространство-время непрерывно и классично.
                  –2
                  Если умозрительно согласится с такими предположениями как
                  1)Пространство непрерывно
                  2)Все элементарные частицы — точеные(или иначе говоря «бесконечно» малы)
                  3)В ОТО у каждой массы есть свой гравитационный радиус.
                  4)Сопоставив все пункты выше у нас получится, что все элементарные частицы являются черными дырами, которые по каким то параметрам отличаются друг от друга.
                  5)Да и еще мы полностью состоим из черных дыр сами того не подозревая.
                    0
                    А в чем проблема? Ну из дыр и из дыр. Из заряженных дыр.
                    ОТО не запрещает дыре иметь заряд. Лептонный, барионный, кварковый.
                    И, соответственно, взаимодействие этих дыр определяется их зарядами.
                    :-)
                      0
                      Все же мне кажется, что частицы совсем не точечные. Да, они очень маленькие (вероятно кварк или лептон имеет диаметр менее 5 ам), но грав. радиус такой массы — это невероятно малая величина (даже для t-кварка).
                        0
                        2)Все элементарные частицы — точеные(или иначе говоря «бесконечно» малы)

                        Ну это-то то не так. Мы прекрасно знаем, что все элементарные частицы — возмущения квантового поля, и обладают характерным размером волновой функции. Так что все, что вы дальше говорите про черные дыры — не очень имеет смысл.
                          0
                          Конечно, тогда понятие «точечные» это что то вроде центра масс для частицы, но не то место где сосредоточена вся ее масса.
                +1
                Первый вопрос: а на сколько конкретно меняется частота света?
                Второй вопрос: а нужен ли интерферометр вообще? Может можно измерять частоту света? Если у нас есть источник с заранее известной длинной волны, при измерении длины волны результат будет зависеть от того, на сколько растянуто или сжато пространство на детекторе.
                  +1
                  а на сколько конкретно меняется частота света?

                  Если длина волны ГВ много больше длины интерферометра, фактически ни на сколько. В противном случае — относительное изменение в районе 10-6Гц (если не ошибся)
                  а нужен ли интерферометр вообще? Может можно измерять частоту света?

                  Можно в принципе, например так.

                    0
                    Осталось всего ничего — запустить это чудо техники в космос ;).
                    Пока что это просто красивое предложение, авторы и сами в курсе технических сложностей (которые там примерно во всем).
                      0
                      Да конечно, понятно, что лучше интерферометра вряд ли что-то есть. Разве что резонансные детекторы на жидком гелии могут оказаться весьма крутыми.
                      Ну и кстати, есть у меня знакомый профессор, который похожую штуку (с смысле измерение относительного изменения частоты) пытается сделать на земле.
                        0
                        Интересно, а можно поподробнее? Просто для этого нужны слишком хорошие часы, которые по пальцам пересчитать можно.
                          0
                          У него какая-то там хитрая схема, на основе «сверхсветового лазера». Подробнее, наверное, не смогу — он еще не публиковал ничего.
                            +1
                            А, это не часы.
                            Но это же жуть, там saturation spectroscopy в двух холодных облаках внутри лазерного резонатора. То есть идея-то красивая, но собирать это — полный ад.
                              0
                              Но вроде как у них работает такой в лабе, говорят, но не знаю уж как:)
                    0
                    Если у нас есть источник с заранее известной длинной волны

                    Пускай у нашего лазера частота 10^14±1 Гц. Чем будете детектировать отклонение фазы, вызванное изменением пути на 10^-8 метров?
                    +1

                    Подождите, два перпендикулярных пучка света, разве это не эксперимент по поиску эфира, замаскированый под поиск гравитационных волн?

                      0

                      Общее между двумя экспериментами — то, что оба ищут отличия в наблюлаемой скорости света. А дальше начинаются различия.


                      Так и не обнаруженный эфирный ветер должен был давать эффект зависимый от ориентации интерферометра, а гравитационные волны дают кратковременные всплески на неподвижной установке.

                        0
                        то, что оба ищут отличия в наблюлаемой скорости света.

                        Но ведь это не так, принцип LIGO как раз основан на том, что скорость света неизменна, иначе бы не работало.
                          0
                          Мгновенная — неизменна, как и средняя путевая. А вот средняя векторная может быть меньше.
                        –4
                        Учёным пока без разницы, как называется светоносная среда, заполняющая всё пространство. Она давно уже найдена, влияет на поведение частиц материи, сдавливает пластины в эффекте Казимира, раздвигает скопления галактик. А здесь, совершая поперечные колебания, растягивает/сжимает плечи гравитационного интерферометра.
                        Этот инструмент назван в честь Майкельсона, который его придумал и искал с его помощью эфир. Но он искал его не в той плоскости (в горизонтальной, а надо было в вертикальной), и поэтому не нашёл. Сам эфир был назван по латыни «пустотой» — вакуумом. Наверное, в память об Эйнштейне, поскольку его теории (СТО, ОТО) позволяют абстрагироваться от свойств этой среды. Однако свойства эфира придётся учитывать при создании квантовой теории гравитации.
                          0

                          В той модели эфира напор ветра получился бы постоянным, 24*7, чего Майкельсон-унд-Морли не поймали.
                          А в этой модели постоянного напора эфира не подразумевается, только всплески. И под эти всплески подогнаны эти hardware и математика.
                          Они сработали согласно ТЗ: поймали предполагаемое событие.
                          Коллеги, конечно, поумнее меня, но мне таки до сих пор не ясно — если растянулось пространство, то растянулась и калиброванная линейка. В этих "попугаях" длина плеча не должна была измениться. А они считают, что таки да.

                            –2
                            Я уже здесь ссылался на объяснение Игоря Иванова.
                            Представьте, что вы измеряете длину стола одноразовыми калиброванными линейками. Одно измерение в минуту. Положили линейку на стол, записали показание, выбросили линейку. Новые линейки стоят вертикально в ближнем углу.
                            Пришла «гравволна», длина стола увеличилась. Если линейка уже была на столе, то она тоже вытянулась вместе со столом, и её показание осталось тем же, что и до волны. Но на остальные новые линейки, стоящие вертикально, волна не повлияла! Пусть они стали чуть шире, но их длина и разметка остались прежними. Берём очередную линейку, кладём на удлинившийся стол, записываем показание — чуть большее, чем прежде, выбрасываем линейку. Можем успеть так сделать ещё несколько раз, прежде чем «гравволна» уйдёт и длина стола восстановится.
                            В реальном интерферометре источником «одноразовых линеек» является лазер. Он генерирует калиброванные световые волны, постоянно наполняет ими плечи интерферометра, и если с приходом гравволны бывшая в плечах партия световых волн искажается, то следующие партии нормальных волн позволяют зафиксировать удлинение/сокращение плечей, помещаясь в них в разном количестве.
                          –3
                          Кажется что то подобное уже здесь было — БАЯН разорванный. Но все это полная фигня так, как уже есть новая физика, которая гласит:
                          1)Есть пространство — трехмерный, симметричный и замкнутый пузырь, который расширяется в 4-мерном пространстве, со скоростью «с», время расширения(4-радиус) пузыря в зависимости от системы отсчета равно — сT, cT', cT'',… и соответственно 3-размер пузыря: x=2πсT, x'= 2πсT', x''= 2πсT''…
                          2)Есть время — количество движения 3-координат в 4-мерном пространстве.
                          3)Есть гравитация — неоднородность времени.
                          4)Есть гравитационные волны — перемещение в пространстве со скорость света неоднородностей времени в не зависимости от источника возникновения неоднородностей — массы.
                          Учите новую физику короче.
                            0
                            И как же новая физика объясняет сигнал на детекторах LIGO?
                              –1
                              К сигналу на детекторе LIGO у меня нет претензий, у меня есть претензии к пропагандистам так называемого «кривого пространства», бредового по своей физической сути и являющегося не более чем математической абстракцией, пространство в принципе не статично и эта НЕстатичность является временем, неоднородность которого и порождает гравитацию.
                            –1

                            с растягиванием пространства растягивается и время и это не возможно обнаружить увеличилось ли расстояние или замедлилось время, в итоге свет все равно за одну секунду преодолевает 299 792 458 метров и плечи интерферометра как бы то ни было постоянной длины. в итоге вся концепция появившаяся от открытия майкельсона опровергается этими измерениями. ведь сейчас понятие метра и секунды строго привязаны к скорости света именно из за опыта майкельсона. какая то теорема гёделя получается.

                              0
                              Да при чем тут это? Главное что в туннелях они разные из-за расположения. Меряеться не абсолютный путь а разница между А и Б.
                                0

                                в чем отличия кроме чувствительности от интерферометра майкельсона?

                                0

                                А нас и не интересует что именно там произошло, тем более что это от системы отсчета зависит. Важен сам факт что что-то изменилось.

                                +3
                                Итан всё-таки вернулся на Хабр, хотя уверяли, что его больше ее будет, совсем не будет ;)
                                  –3
                                  Вывод: Гравитационные волны настолько слабы(!), что способны сжимать и расширять пространство! Ересь однозначно.
                                    0
                                    Почему ересь? Если у них период 1 секунда, то на длинном интерферометре может накопиться эффект.
                                    0
                                    На такой же вопрос давал ответ физик Игорь Иванов. Когда гравволны растягивают/сжимают плечи интерферометра, то и световые волны лазера в них тоже растягиваются/сжимаются, и поэтому сигнала вначале нет. Но поскольку лазер генерирует высокочастотные волны, то его новые волны неизменной длины быстро заполняют всё ещё растянутые/сжатые плечи интерферометра, их число в плечах оказывается разным, и взаимной компенсации при их сложении не происходит, поэтому в детекторе возникает фототок.
                                      0

                                      Если гравитация растянула само пространство, то волна выйдя из искривленного пространства должна была вернуться к обычной длине и интерференции никакой не было бы.


                                      Проведем мысленный эксперимент:
                                      Часть 1.


                                      1. Берем шарик.
                                      2. Рисуем на нем линию длиной 1 см.
                                      3. Надуваем шарик.
                                      4. Фиксируем новую длину линии, она явно больше 1 см.
                                      5. Сдуваем шарик обратно – линия снова 1 см.

                                      Результат: длина линии 1 см.
                                      Вывод: Шарик выступает пространством для линии.


                                      Часть 2.


                                      1. Надуваем шарик.
                                      2. Прикладываем веревку к началу и концу линии.
                                      3. Сдуваем шарик.

                                      Результат: Веревка длиннее линии.
                                      Вывод: Шарик не выступает пространством для веревки.


                                      То же самое мы получили благодаря LIGO. То есть пространство не растянулось. Растянулись частицы взаимодействующие с гравитацией.


                                      Либо под пространством мы подразумеваем разные явления.

                                        0
                                        Пространство может растягивать только его космологическое расширение, и ЭМ волны там действительно растягивается вместе с ним, что позволяет нам определять расстояние до далеких галактик, но гравитация его наоборот «стягивает», а если быть до конца правильным, то гравитация это замедление времени-пространства, а не какое то там растягивание/искривление.
                                          0
                                          Пространство может растягивать только его космологическое расширение

                                          Мне вот совсем не нравится такое определение. Мне вполне хватает ОТО в форме уравнения Эйнштейна, которое описывает и гравитацию, и расширение Вселенной.
                                            0
                                            ОТО возникла раньше чем были открыты другие галактики помимо млечного пути и расширение вселенной, кроме искусственно введенной космологической константы там нет ничего о чем вы говорите. Может вы имеете ввиду решение уравнений Эйнштейна, которые решали уже совсем другие люди, но даже там никто не подозревал о расширении собственно пространства, а делались лишь умозаключения о невозможности существования стационарной вселенной.
                                              0
                                              Я в курсе, что расширение Вселенной доказали лишь лет через 90 после формулировки СТО Эйнштейном.
                                              И я не знаю, что подозревают. Я знаю, что есть модель Вселенной Фридмана. Наблюдаемые значения типа «70% темной энергии» явно подходят под идею «Вселенная давно расширяется с ускорением».
                                              Действительно, необычной кажется идея про ГВ без явного источника. Скажем, вот частный случай вывода уравнения ЭМ волн:
                                              image
                                              Здесь уже не хватает 1 члена — эл. тока. Но, Вы же не будете говорить, что магнитное поле ЭМ волны может возникнуть только вокруг текущего тока? Ток (скажем переменный по времени или вихревой) может создать вокруг себя переменную компоненту ЭМ поля, которая будет распространяться дальше.
                                              Но, как ЭМ волна, так и ГВ переносит какую-то энергию. ЭМ берет её скажем из движения зарядов, а грав. — из изменения квадрупольного момента системы (магнитодипольную компоненту не рассматриваю, как слишком экзотическую для природного источника ГВ).
                                                0
                                                Но, как ЭМ волна, так и ГВ переносит какую-то энергию.

                                                Но это не точно.
                                            0

                                            Когда звук уезжающей машины становится ниже, мы же говорим не о растяжении пространства, а об удалении объектов друг от друга внутри пространства.

                                              0
                                              Звук уезжающей машины это эффект Доплера, при чем чисто классический, а то о чем мы говорим не имеет никакого отношения к эффекту Доплера. Вот расширяется шар со скоростью с, а ты находишься на его поверхности, а между тобой и противоположным полюсом шара (в 2-мерной сферической проекции) добавляется пространство со скоростью с*пи, а ты сам от себя «удаляешься» по направлению луча зрения со скоростью 2*с*п, вкуриваешь? Электромагнитные волны расширяются эквивалентно тому на во сколько раз расширилось пространство за время полета этой волны и зависимость от скорости удаления тут всего лишь косвенная, а не прямая. И все это потому, что пространство расширяется везде одинаково то есть однородно и изотропно, хотя в разных системах отсчета возраст и размеры вселенной испытывают релятивистские вариации, но скорость ее расширения во всех СО равна с*2*пи.
                                                0
                                                Это не то. Грубо говоря, эффект Доплера работает в СТО (метрика Минковского), а в ОТО есть постоянное изменение метрики.
                                                В локальных масштабах — скажем 1.5 Мпк, а не 15 млрд. св. лет — действительно следует учитывать эффекты СТО, т.к. галактики могут иметь относительные скорости до порядка 1/1000 скорости света.
                                                  0
                                                  а в ОТО есть постоянное изменение метрики.

                                                  А вы точно правильно понимаете значение такого слова как «метрика» в контексте современной СТО/ОТО? А может это значит лишь то, что метрические единицы в одной системе отсчета (метры, секунды, джоули...) не тождественны таковым метрическим единицам в другой СО? Начну как всегда с примеров, допустим во вселенной возраст которой составляет 14 миллиардов лет (в СО Земли) на расстоянии в 10 мегапарсек (в СО Змли") находится нейтронная звезда массой в 2 солнечные и радиусом около 8 км (в СО Земли) на поверхности этих НЗ время будет в двое замедленным чем на поверхности земли. Следовательно в СО НЗ возраст вселенной будет уже не 14 миллиардов лет, а 7 и расстояние до Земли в СО НЗ «релятивистски сократится» с 10 до 5 мегапарсек, еще каждый покоящийся протон/нейтрон на поверхности такой НЗ будет обладать массой-энергией покоя в 2 раза меньшей чем аналогичный протон/нейтрон на Земле потому, что метрические джоули в СО Земли не тождественны джоулям в СО НЗ. Но при всем при этом Хаббловское расширение пространства между этими объектами будет одинаковым в обеих системах отсчета, так как постоянная Хаббла (которая зависит обратно пропорционально возрасту вселенной) в СО НЗ будет вдвое больше чем в СО Земли.
                                                    0
                                                    на поверхности этих НЗ время будет в двое замедленным чем на поверхности земель


                                                    Если честно, то что-то мои представления об НЗ говорят, что время может быть скажем на 1% быстрее на Земле, чем на расстоянии 10.2 км от центра НЗ. Это во первых. Возле ЧД конечно куда сильнее может быть.
                                                    Но будет сложно получить даже с более-менее новой ЧД такое:
                                                    вселенная релятивистски помолодела в двое

                                                    Действительно, если ЧД образовалась 10 миллиардов лет назад, то в её окрестностях протоны могут быть во много раз «моложе», чем далеко от таких массивных тел.

                                                    понимаете значение такого слова

                                                    Например, через метрику задают квадрат интервала (ну и любого другого 4-вектора).
                                                    4-скорость тоже видимо можно преобразовать между двумя НСО, а она как раз задает скорость «течения времени» для условных протона или нейтрона.
                                                      0
                                                      Если честно, то что-то мои представления об НЗ говорят, что время может быть скажем на 1% быстрее на Земле, чем на расстоянии 10.2 км от центра НЗ. Это во первых. Возле ЧД конечно куда сильнее может быть.

                                                      Степень замедления, можно нати через красное смешение, которое эквивалентно замедлению (Zg+1=T/T')
                                                      image
                                                      Именно отсюда я и получил, что радиус НЗ с массой в две солнечные должен быть 8 км(4/3 Rg), что-бы замедлять время в два раза.
                                                        0
                                                        Да, где-то так. Но так как условный радиус 10.2 км не может быть у звезды массой 3.5 масс Солнца (очень редкие свидетельства об НЗ массой более 2 масс Солнца, и у них радиус явно чуть больше будет), то замедление времени будет несколько меньше.
                                                        По Вашей формуле для замедления на 10% нужно расстояние до центра масс НЗ около 10/sqrt(3) от грав. радиуса.
                                                        Более близкое расстояние — 3.275 грав. радиусов от центра для скорости 80%. Но это выходит для грав. радиуса 10.3 км величина 33.7 км — не самые приятные условия, а мы говорим о фактически ЧД (взял разумное ограничение, что НЗ массой 3.5 масс Солнца должна коллапсировать).

                                                        P.S. Может не понял и Вы уже не предлагаете НЗ вместо ЧД для сильного замедления времени.
                                                          –1
                                                          ЧД — это отсутствие времени как такового, а следовательно и пространства с энергией, я потому и написал, что «пустое место» априори не может вращаться, а то что не имеет энергию не может излучать «лучи Хокинга». А как же тогда объяснить массу ЧД если ее энергия фактически отрицательна? Тут два варианта, либо наше сегодняшнее определение физического понятия массы в корне не верно, либо черных дыр просто не существует.
                                                            0
                                                            ЧД — это отсутствие времени как такового, а следовательно и пространства с энергией
                                                            А можно ссылку на этот вывод или это пастулат из альтернативных теорий? Просто есть мнение и оно просчитанно, что под горизонтом все траектории пространства-времени замкнуты, но не отсутствуют.
                                                              0
                                                              T/T'=E/E' Как найти T/T' написано выше. Координатная энергия частицы(а приливные силы сделают так, что только элементраные частицы в конечном итоге будут пдать в черную дыру) падающей на ЧД: E'=E*(T/T')=Епланк
                                                              Может какая то там сомнительная математика и позволяет залезть под горизонт, но физика это не допускает.
                                                                0
                                                                Сразу вангую, что Ваша формула — это грубое приближение. Условно предположу, что эта формула хорошо работает только при таких R > R0, что может быть достаточно точным приближение
                                                                zG = 1 + 1/2 (RG/R) + (знак лень считать)*1/2*3/2*(RG/R)^2
                                                                Я не требую залазить под горизонт, но даже из Вашей формулы понятно, что если частица падает на сферу R = RG, то её энергия сильно растет.
                                                                По поводу приливных сил — они конечно разорвут любой атом на ядро и электроны, то есть получим полностью ионизированную плазму. При высокой энергии (даже не плазма с kT = 100 ГэВ, а горячее) у нас будет происходить множество столкновений с эффектом ничуть не хуже, чем было в ЦЕРНе (но я сейчас говорю про предыдущие этапы работы — SppS и LEP).
                                                                Не могу гарантировать, что дело буквально дойдет до планковских энергий, так как уже при указанных энергиях мы получим фермионно-глюонную плазму (кроме кварков там будут и лептоны, а ещё наверное «не столь виртуальные» W-бозоны — особенно при сжатии до высокой плотности, когда 1 кварк кин. энергии 100 ГэВ придется всунуть в куб с ребром 5 ам).
                                                                Планковская энергия может быть в принципе недостижима, т.к. даже грав. постоянная при такой энергии (10^18-10^19 ГэВ) начинает расти. Может все частицы такой энергии начнут испускать ГВ не хуже, чем испускают ЭМ волны (синхротронное излучение) частицы на коллайдерах.
                                                                  –2
                                                                  Сразу вангую, что Ваша формула — это грубое приближение

                                                                  Как раз это универсальная формула, может вам не нравится, что она слишком проста? Но если она не верна и замедление у горизонта не равно бесконечности, то это и вовсе не горизонт тогда, а черных дыр не существует в природе, кстати этот вариант мне кажется заманчивым.
                                                                  Я не требую залазить под горизонт, но даже из Вашей формулы понятно, что если частица падает на сферу R = RG, то её энергия сильно растет.

                                                                  Она растет до бесконечности, но я уверен бесконечностей не бывает и все рано или поздно на чем то заканчивается, если фотон, который летит в сторону ЧД постоянно наращивает энергию то его длина волны уменьшается, а так как фотон как и любая энергия(в теории) имеет собсвенную гравитацию, то рано или поздно его длина волны(грубо говоря) сравняется с его гравитационным радиусом, который растет, просто получается, что фотон превращается в ЧД и сливается с той ЧL на которую он летел расширяя ее горизонт событий, но дело в том, что этого фотона больше не существует.
                                                                    0
                                                                    Как раз это универсальная формула

                                                                    Хорошо, формула универсальная. Осталась мелочь — понять, как измерить понятие «расстояние от центра» в искаженной гравитацией метрике.

                                                                    Она растет до бесконечности,… если фотон, который летит в сторону ЧД постоянно наращивает энергию то его длина волны уменьшается, а так как фотон как и любая энергия(в теории) имеет собсвенную гравитацию, то рано или поздно его длина волны(грубо говоря) сравняется с его гравитационным радиусом, который растет, просто получается, что фотон превращается в ЧД


                                                                    Действительно, такое можно рассмотреть. Но не забывайте, что любой рост энергии фотона имеет смысл только в контексте системы ЦМ (даже если это ЦМ системы «ЧД + фотон», извините за тавтологию). И, по идее, в такой локальной системе должно как-о выполняться сохранение энергии. Какая-то «потенциальная энергия» уменьшается (движется от -0 вниз), кинетическая (частота) — растет.
                                                                    Вполне нормально рассматривать в контексте падения на ЧД рост энергии фотона до 2000 ГэВ, а потом можно сказать, что фотон падает в такое плотное месиво заряженных частиц, что скоро с чем-то столкнется.
                                                                      0
                                                                      Осталась мелочь — понять, как измерить понятие «расстояние от центра» в искаженной гравитацией метрике.

                                                                      Хороший вопрос на первый взгляд, но:
                                                                      1) Во первых не в искаженной гравитацией метрике. а гравитация следствие искажение метрики и это важно.
                                                                      2)Так как в формуле величина относительного замедление времени определяется из соотношения Rg/R, то метрика тут не имеет значения, думаю догадываетесь почему.
                                                                      3)Я не исключаю, что формула может быть и не верна, а все из за того что так называемый гравитационный радиус Rg=2GM/C^2 это величина принята за доказанный факт, хотя меня всегда возмущало, что в этом плане ОТО подозрительно совпадает с Ньютоновской теорией, которая как бы является «грубым приближением» хотя сам факт неоднородности времени не вызывает сомнений как и то, что его прямым следствием является гравитационное смещение длин волн.
                                                                        0
                                                                        Действительно, такое можно рассмотреть. Но не забывайте, что любой рост энергии фотона имеет смысл только в контексте системы ЦМ (даже если это ЦМ системы «ЧД + фотон», извините за тавтологию)

                                                                        В литературе такую энергию еще называют координатной, от координатного времени.
                                                                        И, по идее, в такой локальной системе должно как-о выполняться сохранение энергии. Какая-то «потенциальная энергия» уменьшается (движется от -0 вниз), кинетическая (частота) — растет.

                                                                        Не должно, так как «потенциальная» энергия в этом случае всего лишь разница между количеством энергии при переходе из одной координатной СО к другой. Что бы это было понятно верну вас к той самой нейтронной звезде на поверхности которой время замедленно в два раза по отношению к какой то удаленной на «бесконечность» пространственной координате, но откуда тела смогут падать на НЗ за конечный промежуток времени.
                                                                        Во первых эти объекты будут падать на НЗ с мгновенной скоростью гамма=T/T'=2(около 260000 км/c) в СО НЗ. Где Т'=T*(1-Rg/R)^(1/2); где Rg=2Gm/c^2.
                                                                        Тогда «потенциальная энергия» объекта в СО удаленной от НЗ по отношению к СО на НЗ будет равна:
                                                                        mc^2*(T/T'-1) то есть равна ее энергии покоя. Но какой будет кинетическая энергия в СО куда упал объект по отношению к той откуда он упал? Представь, что некий протон шлепнулся на НЗ и прилип к ней не двигается, а все энергия этого падения(1mc^2) превратилось в фотоны и вернулась туда откуда прилетело, так как каждый фотон от разбившегося об НЗ протона испытает красное смещение Zg+1=T/T' в итоге масса этой НЗ увеличится на массу пол протона(в СО удаленно от НЗ) а другая половина вернется к источнику в виде покрасневших в два раза фотонов. Понимаете теперь?
                                                                          0
                                                                          Отвечу сразу на 2 комментария.

                                                                          хотя меня всегда возмущало, что в этом плане ОТО подозрительно совпадает с Ньютоновской теорией

                                                                          Адепты ОТО всегда возмущаются, если с точки зрения математики альтернативная теория гравитации не дает в пределе малых грав. потенциалом теорию грав. Ньютона. С другой точки зрения, многие формулы ОТО проверены только в слабых полях.
                                                                          Пример наблюдаемого явления, который я требую для подтверждения ОТО (не факт, что его наблюдали).
                                                                          Берем пару НЗ таких, что приведенная масса большей будет 1 масса Солнца. Они должны вращаться по орбите с большой полуосью 0.0387 а.е. и малой — 0.0352 а.е. И гоняем наблюдение 100 лет, наблюдая за движением перигелия орбиты.

                                                                          Во первых эти объекты будут падать на НЗ с мгновенной скоростью


                                                                          А я не говорил про падение. Сравнивать эффекты СТО и ОТО сейчас не возьмусь. Предлагаю в классическом эксперименте «самолеты и атомные часы» такую модификацию.
                                                                          Нужно 4 единицы часов. №1 — лежит на экваторе (под «точкой стояния» ГСО). №2 — висит над часами №1 на ГСО. №3 — летит в противоположном направлении, то есть скажем на той же высоте орбита, просто против вращения Земли. №4 — это уже не выйдет по высоте, спутник должен убегать скажем от часов №1 с такой же скоростью (в точке прохода меридиана часов №1), с какой летят часы №3 относительно часов №2.
                                                                            –1
                                                                            Экспериментов подтверждающих релятивистское замедление времени уже сделано предостаточно, а вот по гравитационному, что то тихо, было доказано лишь красное/cинее смещение, но этого не достаточно важно подтвердить именно эквивалентность соотношения замедления и сдвига частот… Сделать это можно с помощью синхронизированных самых точных в мире атомных часов, одни из которых будут помещены на вершину Эвереста, а другие у его подножья лет так на 10. После чего их нужно синхронно остановить и проверить интервалы верхних часов — T и нижних — T'. Ну и с помощью выше упомянутого аналога Эксперимента Паунда и Ребки установить ту самую эквивалентность Zg+1=T/T'.
                                                                              0
                                                                              Боюсь, что вершина Эвереста — это очень маленький грав. потенциал. Тогда нужно не забыть найти точку на уровне моря, которая именно не под землей но над плотной породой для часов №2.
                                                                              Я просто хотел сказать в примере со спутниками тот факт, что даже на геостационарке скорость до 3 км/с, что явно больше, чем дает самолет (это около 9 МАХ). Геотсационарка (и вариант с 2-3 спутниками с противоположным направлением движения) дает проверить какую-то гипотезу ОТО, при которой эффекты ОТО и СТО компенсируют друг друга (1 из спутников может оказаться в такой позиции относительно часов на уровне моря на том меридиане, где геостационарка).
                                                                              Мой эксперимент тоже может быть не идеальным, но на геостационарке спутники по 10 лет летают. Только не в курсе, на сколько хватит ресурса «атомных часов».
                                                                              Типичный эффект от скорости около 1%/1000*«скорость света» — это конечно мало. За 1 секунду получаем типичный эффект СТО 50 пс.
                                                                              Миллион секунд часы проработают?
                                            0

                                            То что описано в статье нарушает логику и противоречит здравому смыслу. Логичное с моей точки описание:


                                            Берем тезисы из статьи:


                                            • Волна не растянулась.
                                            • Зеркало удалилось.
                                            • Гравитация – слабое взаимодействие.

                                            Добавляем тезис:


                                            • Существуют частицы, на которые гравитация не воздействует, такие как нейтрино.

                                            Получаем вывод: это не пространство растянулось, а гравитационная волна воздействовала только на физическую материю, отдалив зеркало, но не растянув свет. А из этого вытекает, что пространство как раз таки не взаимодействует с гравитацией.

                                              0
                                              Существуют частицы, на которые гравитация не воздействует, такие как нейтрино.

                                              Гравитация воздействует на все частицы, в том числе на нейтрино.
                                              пространство как раз таки не взаимодействует с гравитацией.

                                              Гравитация и есть пространство (-время)
                                                0
                                                И так как согласно космологическим моделям у нейтрино есть масса покоя, то родившиеся в начальную эпоху нейтрино (скажем энергией не менее 2170 МэВ) смогли за миллиарды лет потерять чуть ли не больший процент энергии, чем фотоны, ставшие рел. излучением.
                                                А ещё, любая энергия (фотоны, нейтрино и т.д.) влияют на метрику окружающего пространства.
                                                  0

                                                  Не совсем корректно выразился. Воздействует в меньшей степени. А Хоккинг предсказал наличие частиц на которые вообще не действует, благодаря чему черные дыры испаряются.

                                                    0
                                                    С испарением там все не так просто. Могу написать объяснение, но кажется оно не правильное.
                                                    Энергия грав. поля ЧД (эквивалентная массе ЧД) тратится на создание пары частица-античастица.// Примечание: если энергию дает гравитон (спин 2), то это должна возникнуть не пара, а скажем 2 пары «кварк + антикварк»/«лептон + антилептон» или 2 глюона?
                                                    Так как рождаются в основном возле самого горизонта событий, то 1 из частиц пары может упасть под сингулярность, а вот вторая — улетит за пределы.
                                                      0
                                                      Ну да, не совсем правильное, хотя и постоянно встречается:)
                                                        0
                                                        Вот я и помню, что что-то такое на GT (Хабре) читал.
                                                        Мы привыкли, что частица либо находится у нас, либо не находится.

                                                        Кто-то может ещё привык, что нейтральный каон не может быть суперпозицией состояния с разной «антиматериальностью» s-кварка? Или пускай просто родившийся в столкновении частиц электрон падает на ЧД — сохранится ли где-то лептонный заряд?

                                                        4tlen, речь о том, что ЧД ничего не приобрела. Пара частиц рождается из энергии, находящейся внутри самой ЧД. А кто считает, что ЧД не могут терять энергию — пускай считают потенциальную энергию пары ЧД перед слиянием и приплюсуют к кин. энергии, потом отнимут энергию покоя родившейся ЧД.
                                                          0
                                                          Повторюсь, это абсолютно попсовое объяснение, которое не имеет ничего общего с реальностью. Нет там никакого рождения пары частица/античастица на горизонте событий.
                                                            +1
                                                            Есть звезда, которая вот-вот сколлапсирует в ЧД, гамильтониан диаганализуется до начала коллапса в ЧД одними гармониками, а после того как пошел процесс коллапса в ЧД — другими. А так как преобразования Боголюбова не зависят от времени, то и излучение (Хокинга) становится стационарным, не зависящим от времени (постоянным, испаряя ЧД). Есть, конечно, иные решения для Шварцшильдовской черной дыры, но, как мы понимаем Шварцшильдовская это вырожденное решение уравнений ОТО (не может быть невращающихся ЧД, в результате коллапса все объекты начитают вращаться вокруг своего центра масс как фигуристы, сводящие руки.).
                                                              –1
                                                              Да успокойся уже ты со своим испарением, нет в природе никакого испарения и вращения тоже нет, как может вращаться то у чего нет физических границ.
                                                                0
                                                                Давайте не будет хамить и тыкать. Ну или в личку пишите, если какая-то особая неприязнь.
                                                                0
                                                                становится стационарным, не зависящим от времени

                                                                Но если точнее, то его мощность все же растет, только очень медленно. ЧД массой 5*10^30 кг имеет время жизни 10^75 секунд, так что на масштабе «времени жизни протона» можно считать мощность постоянной.
                                                                не может быть невращающихся ЧД

                                                                В реальном мире — не может. Если только мы не создадим ЧД механизмом «направить на объем радиусом с 1 атом много пучков, аналогичных БАКу» или не сможем решить проблему типа «планеты должны были забрать себе большую часть момента импульса для коллапса газа в Солнце» методом «забрать 100% момента импульса при коллапсе звезды в компактный объект».
                                                                  0
                                                                  Ну мы ж не про искусственно созданные ЧД.
                                                              0
                                                              А кто считает, что ЧД не могут терять энергию — пускай считают потенциальную энергию пары ЧД перед слиянием и приплюсуют к кин. энергии, потом отнимут энергию покоя родившейся ЧД.
                                                              В этом случае энергия тратится на гравитационные волны. Пара масс солнца теряется на это.
                                                                0
                                                                А там ещё нужно считать. Может у этих ЧД и не было такой массы покоя (больше массы покоя родившейся ЧД), а была только кинетическая энергия огромных масс (полученная перед этим из потенциальной).
                                                            0
                                                            Это объяснение вообще ничего общего с реальностью не имеет. Ну одна частица ушла под горизонт, одна улетела. ЧД потеряла энергию одной частицы и приобрела энергию другой. В итоге ни потеряла, ни приобрела энергии.
                                                            0
                                                            Даже на излучение Хокинга действует, потому что это точно такие же частицы или фотоны. Не существует ничего, на что гравитация бы не действовала, по определению: все, что обладает энергией, будет подвержено действию гравитации, а если что-то не обладает энергией, этого не существует.
                                                              0
                                                              а если что-то не обладает энергией, этого не существует.

                                                              Какой энергией обладает время, оно существует?
                                                                0
                                                                Очевидно что такой же как и пространство. Темной.
                                                                0

                                                                Еще раз я говорю не о том, что вообще не взаимодействует, а взаимодействует с разной силой. Т.е. гравитационная волна с большей силой воздействовала на зеркало, чем на свет. Зеркало удалилось – получили интерференцию. И никакого искривления пространства-времени не нужно, чтобы это работало.

                                                                  0
                                                                  Ну гравитационная волна это же и есть искривление пространства-времени. А так-то все так и есть, зеркало удалилось, получили интерференцию.
                                                          +1
                                                          Но, допустим, когда вы прошли половину пути до конца, проходит гравитационная волна. Одному из вас теперь нужно пройти большее расстояние, а другому – меньшее.
                                                          Неудачное сравнение, т.к. по логике вопроса вместе с пространством изменились сами экспериментаторы, их шаг, т.е. если пространство растянулось, то соответственно увеличивается ширина шага за тот же промежуток времени, т.е. будто бы растёт скорость перемещения, если выйти из пространства и наблюдать со стороны, и наоборот, что должно все равно дать в итоге одинаковое время прохождения пути и невозможность заметить изменения.
                                                            –1

                                                            У экспериментаторов есть стабильная внутренняя структура, которая не может просто так измениться. Силы взаимодействия между частями эксперимантаторов вернут экспериментаторов к прежнему размеру после прохождения волны.

                                                              0
                                                              Силы взаимодействия между частями эксперимантаторов вернут экспериментаторов к прежнему размеру после прохождения волны.
                                                              Это вообще никак не проясняет дело.
                                                              Предлагаю другой мысленный эксперимент. На эластичный экран (наше пространство) проецируется полёт шарика (фотона) из одной точки в другую. Размеры экрана привязаны к размеру проекции. Можно как угодно деформировать экран — растягивать, сжимать, выпячивать или вдавливать его части, но это никак не повлияет на время перемещения шарика, хотя длина его пути по экрану будет меняться. Кто находится в пространстве экрана, не заметит ничего.
                                                              Такой пример, на мой взгляд, хорошо иллюстрирует суть исходного вопроса.
                                                                0
                                                                Можно как угодно деформировать экран — растягивать, сжимать, выпячивать или вдавливать его части, но это никак не повлияет на время перемещения шарика, хотя длина его пути по экрану будет меняться.


                                                                А если скорость движения шарика (полная, а не в плоскости «невозмущенного» экрана) строго равна скорости света? Масса всех тел (включая сам шарик) вдавливает экран вниз и скажем вместо 1000 км (мы строго отмерили 1000 км в плоскости экрана) «шарику» нужно пройти на 0.5 мкм больше.
                                                                  –1
                                                                  Скорость света постоянна в любой системе отсчета, а в вашей модели она меняется.
                                                                    0
                                                                    Речь не совсем про системы отсчёта, скорее, про пространство и гипотетический эксперимент наблюдения его со стороны. Может быть корректнее было бы говорить, что гравитационные волны искажают не само пространство, но волны и материю, а пространство отсаётся фиксированным базисом.
                                                                      0
                                                                      Вот только пространство — это и есть тот самый эластичный экран, и траектория вашего шарика зависит от кривизны пространства. Вы не можете «спроецировать» один и тот же шарик на два экрана разной кривизны.
                                                                      0
                                                                      Скорость света — это отношение пройденного лучом расстояния к какому-то «времени в окружающей системе отсчета». В ОТО эта скорость вполне может меняться, а вот в СТО постулируется фаза ЭМ волны вида omega * t — k * r = const.
                                                                        –2
                                                                        Спасибо, напомнили мне эту простую формулу определения скорости света: c = s/t. В сильном гравполе с снижается из-за замедления хода времени, а замедление времени задаётся снижением в гравполе частоты фотонов. Это видно из принципа работы атомных часов.
                                                                        Что тут интересно. Если представлять фотон в виде частицы в квантованной плотной среде, состоящей из взаимно сжатых элементов, то эту формулу легко наполнить такой реальностью. Фотон постоянно ликвидирует давящие на него кванты среды, и с каждым ликвидированным квантом перемещается на его место давлением среды с противоположной стороны. Соответственно когда давление среды меньше, а вблизи массивных тел это так, то для фотона конкретной энергии/частоты снижается потребность в прежней быстрой ликвидации давящих на него квантов среды. Поэтому снижается число его единичных перемещений в среде, и снижается результирующая скорость его движения в ней — скорость света.
                                                                        Волновые свойства фотона связаны с его энергией. Чем выше энергия, тем больше квантов среды он ликвидирует в единицу времени в некотором объёме. И тем больше волн магнитной и электрической напряжённости он создаёт в этом объёме, но пересекает объём с неизменной результирующей скоростью света. Вроде такая реальность не противоречит наблюдаемым фактам.
                                                                          –1
                                                                          в квантованной плотной среде

                                                                          Я могу придумать модель, в которой у пространства есть свойства. Например — амплитуда волновой функции фотона, глюона или фермиона. Сумма по вероятностям (мат. ожидание) разных величин — массы, заряда и других, вроде как сохраняющихся, должна давать наблюдаемые классические величины (пока не уменьшаем траекторию частиц до уровня, где действие S = 5/3 h за 1 оборот «орбиты»).
                                                                0
                                                                Вопрос №1: Если в трубу рядом с пробными массами-зеркалами положить измерительную линейку, что произойдёт с ней в поле гравитационной волны: 1. она изменит свой размер?; 2. Останется неизменной?; 3. как можно узнать, что сталось с линейкой?
                                                                Вопрос №2: Мысленный эксперимент: резиновая нить, натянутая между зеракалам-пробными массами с нанесённой на неё мерной сеткой (1 деление — 1 метр). Прилетела гравитационная волна, при этом пространство расширяется в метрическом понимании, а зеркала раздвинуться… в механическом понимании, с учётом того, что поле ГВ воздействует на тела ч/з приливные силы, которым оно обладает. Так ли это? Что можно сказать об изменении расстояния между зеркал (если резинка растянется, то и расстояние останется тем же самым?
                                                                Вопрос №3: То, что гравитационная волна растягивает пространство и одновременно свет есть — гипотеза и не более, а есть ли независимые доказательства, иные, нежели те, что получены в ЛИГО? Согласитесь, что все построения тут делается именно на предположении верности такого эффекта?
                                                                Вопрос №4: Чем принципиально стационарное гравитационное поле от стационарной гравитирующей массы отличается от того поля гравитационной волны, излучённое от нестационарной гравтититрующей массы? Обычное поле гравитации искривляет и пространство и тело и время, а что искривляет поле ГВ и что не искривляет и почему?
                                                                  0
                                                                  По пункту 4 — ничем не должно отличатся. Если мы получаем для скажем «поправки к метр. тензору» волновое уравнение — оно может иметь решение типа «сумма гармонических волн» при отсутствии любых подвижных или неподвижных масс.
                                                                  По пункту 3. Гравитация одновременно изменяет траекторию луча света и изменяет в ней набег фазы. То есть, если мы рассмотрим пример грав. линзирования возле ЧД или НЗ, то набег фазы (пускай мы смогли создать лазерный пучок диаметром 1 км для проверки) будет состоять из 2 слагаемых:
                                                                  — геометрическое отклонение пути света от прямой;
                                                                  — собственно уменьшение набега фазы от «грав. замедления времени».

                                                                  Можно ли сравнить такой случай линзирования по порядкам величины с LIGO — не знаю.
                                                                    0
                                                                    Victor_koly, а что можете сказать по первым двум пунктам? И по пункту 3, можно всё привязать только к ЛИГО, т.е. без линзы и ЧД?

                                                                      +1
                                                                      Вот это объяснение из статьи кажется логичным:
                                                                      Поскольку свет движется по ним со скоростью света, изменения длин волн не имеют значения; при встрече они окажутся в одном месте пространства-времени и их длины волн будут идентичными. Что важно, так это то, что один луч света проведёт в детекторе больше времени, и когда они снова встретятся, они уже будут не в фазе.


                                                                      По Вашему вопросу №2. Где-то на Хабре в статьях о детектировании ГВ было, ЕМНИП, упоминание о том, что LIGO фиксирует малое колебание метрики с сигналом как первая степень delta_g (возможно, что именно при строго совпадающей ориентации плечей с направлением поляризации ГВ), а сама сила ГВ, действующая на зеркала, зависит от второй степени. То есть это как плотность энергии грав. поля по аналогии с ЭМ полем, плотность которого пропорциональна квадрату напряженности (электрического или магнитного поля). Массивные зеркала необходимы кажется не столько для «реагирования на гравитацию», сколько для уменьшения влияния обычных сил.
                                                                      Где-то давалась оценка, что в окрестностях точки слияния ЧД (может в радиусе 100 км для упомянутого на картинке GW150914) изменение метрики достигает 0.1.
                                                                      Но обнаружить волну не по её энергии выходит потому, что плотность энергии ГВ (~ delta_g^2) падает по обычному «закону обратных квадратов», а значит delta_g — только обратно радиусу.
                                                                      В такой оценке изменение метрика на расстоянии ~10^9*10^13 км будет 10^-23. Каким-то накоплением вышло обнаружить эффект. Но значит при длине плеча 0.1 мс*«скорость света» мы не обнаружим ГВ слишком высокой частоты.

                                                                      По пункту 3 — я не специалист по ОТО:)
                                                                    0
                                                                    То, что гравитационная волна растягивает пространство и одновременно свет есть — гипотеза и не более, а есть ли независимые доказательства, иные, нежели те, что получены в ЛИГО? Согласитесь, что все построения тут делается именно на предположении верности такого эффекта?

                                                                    Эта гипотеза — следствие ОТО. Успех эксперимента LIGO как раз и означает подтверждение гипотезы, а с ней и ОТО.


                                                                    Чем принципиально стационарное гравитационное поле от стационарной гравитирующей массы отличается от того поля гравитационной волны, излучённое от нестационарной гравтититрующей массы?

                                                                    Производной по времени.

                                                                      0
                                                                      #Эта гипотеза — следствие ОТО. Успех эксперимента LIGO как раз и означает подтверждение гипотезы, а с ней и ОТО.
                                                                      Можно согласиться! А что можно сказать о том, как поле гравитационной волны искривляет время в эксперименте ЛИГО? И ещё: можно ли сказать, что операторы ЛИГО — локальные наблюдатели, а кого в таком случае можно считать внешними наблюдателями?
                                                                        0
                                                                        А они нужны, внешние наблюдатели? Прелесть гравитационных волн — в том, что можно сравнить результат невозмущенного измерения (без волн) и результат измерения при прохождении волны.
                                                                      0
                                                                      Вопрос №1:
                                                                      Она размера почти не изменит, так как межатомные силы будут сильнее эффективной силы от ГВ, «растягивающей» линейку. Узнать это, скорее всего, очень сложно.
                                                                      Вопрос №2:… в механическом понимании, с учётом того, что поле ГВ воздействует на тела ч/з приливные силы, которым оно обладает.
                                                                      Да, в целом — было бы так (см вопрос 1 для деталей). Можно говорить об изменении расстояния (хотя на деле меняется все же определение расстояния: метр останется метром, но будет длиннее).
                                                                      То, что гравитационная волна растягивает пространство и одновременно свет есть
                                                                      вообще говоря, это некоторая условность (выбор системы координат): мы можем сказать, что ГВ растягивает свет, а массы остаются неподвижными, или что свет не растягивается, а смещаются массы, или и то, и другое. Математика от этого не изменяется, так что это просто выбор удобного нам способа объяснить эффект.
                                                                      искривляет поле ГВ и что не искривляет и почему?
                                                                      Формально мы говорим, что ГВ искривляет только пространство (при фиксированной системе координат). Эффект на время оказывается эффектом высшего порядка (ГВ — это разложение возмущения в кривизне пространства-времени по малым параметрам). Но это в целом выбор системы координат.
                                                                        0
                                                                        Она размера почти не изменит, так как межатомные силы будут сильнее эффективной силы от ГВ, «растягивающей» линейку. Узнать это, скорее всего, очень сложно.

                                                                        Вот только линейка длинная и инертная. ГВ распространяется по линейке выше скорости света, а сама линейка "собирается" обратно со скоростью намного ниже скорости света. Так что, как мне кажется, линейка таки растянется от волны и вернется обратно прежде чем межатомные силы хоть как-то проявят себя.


                                                                        Но засечь это явление, скорее всего, не получится: если бы мы могли наблюдать столь небольшие изменения метрики напрямую — нам бы не пришлось строить LIGO.

                                                                          0
                                                                          ГВ распространяется по линейке выше скорости света
                                                                          Воу-воу, это как так? ГВ распространяются со скоростью света. И потом, дело не в ее скорости, а в эффективном действии на каждую молекулу. ГВ можно представить как силу, действующую на разные части линейки (в таком случае скорость ГВ вообще не важна). Если эта сила гораздо меньше атомных сил (а она ГОРАЗДО меньше), то каждая отдельная молекула останется нерастянутой, и вся линейка останется нерастянутой.
                                                                            0
                                                                            Если ГВ идет строго в направлении линейки — то она распространяется по линейке со скоростью света, во всех остальных случаях область пересечения фронта ГВ и линейки будет двигаться быстрее.
                                                                              –1
                                                                              Нет, не так. Растяжение/сжатие происходит в плоскости ортогональной направлению распространения. Это растяжение/сжатие само по себе очень медленное — частоты порядка десятков-сотен герц. В направлении распространения никакого эффекта нет.

                                                                              Кроме того, никакое взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света. Вы имеете в виду по сути дела фазовую скорость, которая хоть и может быть быстрее скорости света, но не позволяет изменять что-либо в объекте быстрее скорости света.
                                                                                0
                                                                                Нет, я имею в виду скорость области пересечения двух объектов. Эта область может двигаться с любой скоростью, подобно теням, проекциям и другим условным объектам.
                                                                                  0
                                                                                  Я понимаю о чем вы, все так, только это не значит, что эти два объекта взаимодействуют с такой же скоростью (скажем, ГВ растягивает линейку).
                                                                                  Так что:
                                                                                  ГВ распространяется по линейке выше скорости света, а сама линейка «собирается» обратно со скоростью намного ниже скорости света.
                                                                                  не работает по нескольким причинам: во-первых, ГВ распространяется по линейке очень медленно (герцы, и линейка «сжимается» гораздо быстрее, чем ГВ ее растягивает), во-вторых, даже если бы распространялась быстро, влияние ГВ на линейку никогда бы не превысило скорость света.
                                                                                    0
                                                                                    Брр. Рассмотрим линейку, на которую падает ГВ под прямым углом. Такая волна достигает линейки во всех точках одновременно. О каком «медленном распространении ГВ по линейке» вообще речь?
                                                                                      0
                                                                                      Наверное, я вас не понимаю. Вот ГВ:image
                                                                                      Линейка располагается в плоскости разреза. Волна распространяется перпендикулярно плоскости разреза. Растяжение-сжатие линейки происходит очень медленно — гораздо медленнее чем любые характерные времена релаксации молекулярных связей. Растяжения в направлении распространения нет никакого.
                                                                                        0
                                                                                        Волна не достигает «во всех точках». ГВ происходит от движения вполне реальных объектов, в частности — пары ЧД. Они движутся со скоростью не более скорости света и как следствие — любое изменение метрики на расстоянии r от них не будет двигаться быстрее. Тут можно вспомнить про упомянутый в другом обсуждении ЧД на Хабр так сказать «эффект гильотины» (скорость соединения горизонтов пары ЧД при слиянии), но этот эффект не может передать энергию «наружу».
                                                                                        Далее. Если движение пары ЧД с релятивистской относительной скоростью на расстоянии 1 млрд. св. лет. До конкретных точек наблюдения сигнал «пришла ГВ с фазой 0» приходит в моменты времени t1 и t2. Если мы поделим расстояние между точками детектирования (скажем 1 а.е.) на разницу между этими моментами, мы получим «сверхсветовую» скорость, приблизительно — такую:
                                                                                        v = c/sin(alpha),
                                                                                        где alpha — угол параллакса. Но это столь же фальшивая «скорость передачи данных», как и называть «передачей данных» квантовую телепортацию.
                                                                        0
                                                                        Уважаемые коллеги!
                                                                        Теперь ещё несколько вопросов по теме?
                                                                        1. Каким образом, с помощью какого механизма операторы ЛИГО устанавливают интерферометрическую картинку в «ноль» при начальной юстировке и как потом поддерживают этот тонкий баланс, учитывая, что помехи могут его сбить?
                                                                        2. Какова точность установки начального нулевого баланса двух лучей (получение тёмной интерференционной картинки), которая как мне представляется, должна измеряться в долях длинны волны лазера или в тех же единицах, что и измеряется длинна волны?
                                                                        3. Понятно, что каким бы «хорошим» не был раздающий лазер, когерентность его лучей не может быть абсолютной, поэтому, какова относительная погрешность этой самой когерентности и как она поддерживается в ходе эксперимента?
                                                                        4. Зачем нужно лучи лазера многократно прогонять между зеркалами, если при этом увеличивается и вероятность их многократного искажения? И какие лучи сравниваются в фотодетекторе: всякие или только те, что прошли это многократное усиление?
                                                                          0
                                                                          2. См. мой коммент 3 минуты ранее, вспомнил тут дополнение. Именно при такой установке интерференции в 0 мы способны заметить более слабое отклонение картины от нуля.
                                                                          4. А иначе никак, см. тоже сюда в конец.
                                                                            0
                                                                            Каким образом, с помощью какого механизма операторы ЛИГО устанавливают интерферометрическую картинку в «ноль» при начальной юстировке и как потом поддерживают этот тонкий баланс, учитывая, что помехи могут его сбить?

                                                                            Собственно детектируют количество света на выходе интерферометра, подстраивают частоту света и положения зеркал (фазы), пока не будет «ноль» (там на самом деле не совсем ноль, для технического удобства). Поддерживают активным контролем.
                                                                            Какова точность установки начального нулевого баланса двух лучей (получение тёмной интерференционной картинки), которая как мне представляется, должна измеряться в долях длинны волны лазера или в тех же единицах, что и измеряется длинна волны?
                                                                            Опять же, устанавливают не точно на темную картинку, а на слегка светлую. Точность в общем-то зависит от фотодетекторов, которые используются, но ничего не мешает установить произвольно точно (собственно, оно должно быть гораздо точнее наблюдаемых эффектов от ГВ). В конечном итоге все зависит от систем контроля и электронных шумов системах обратной связи.
                                                                            Понятно, что каким бы «хорошим» не был раздающий лазер, когерентность его лучей не может быть абсолютной, поэтому, какова относительная погрешность этой самой когерентности и как она поддерживается в ходе эксперимента?

                                                                            Не очень понятно, что вы понимаете под «когерентностью» в данном контексте, и уж тем более под ее относительной погрешностью. Луч лазера один, ширина его полосы после стабилизации — в районе миллигерц (т.е. длина когерентности в миллионы километров). Любые «погрешности» стабилизируются активно до нужного уровня (чтобы не влияло на эксперимент).
                                                                            Зачем нужно лучи лазера многократно прогонять между зеркалами, если при этом увеличивается и вероятность их многократного искажения?
                                                                            Вероятность искажения их очень мала (зеркала очень-очень хорошие). При этом прогоняются многократно, чтобы набрать больше сигнала — сигнал усиливается в количество раз, которые свет прокрутился внутри резонаторов. Плюс, резонаторы позволяют увеличить мощность света внутри детектора — опять же, больше сигнал.
                                                                            И какие лучи сравниваются в фотодетекторе: всякие или только те, что прошли это многократное усиление?
                                                                            Любой луч, который выходит из интерферометра. Но вообще луч, проходящий через усиление, только один, и он же выходит из интерферометра.

                                                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                                          Самое читаемое