Gravitatsioonilised lained - mis need on?


2016. aasta veebruaris liikus kogu maailmas uudis, et lõpuks on avastatud gravitatsioonilained. Kuid mis on need lained, mida mõnikord nimetatakse kosmose ajal tekkivateks laineteks? Selle mõistmiseks peame minema tagasi sajandi taha, aega, mil Albert Einstein oli lõpetanud oma relatiivsusteooria.

Igapäevane kogemus
Enne kui jõuame kõvadesse punktidesse, vaatame üle oma igapäevase kogemuse, mis on Isaac Newtoni universum.
  1. Seal on ruumi ja asja on. Taevakehad - ja kõik muu - on valmistatud ainest ja seetõttu on mass. Mass on mõõt, kui palju ainet seal on. Teisest küljest pole ruum midagi muud kui etapp, milles mateeria toimib.

  2. Taustal aeg voolab ja me läheme vooluga kaasa. Me märkame selle möödumist sellest, kuidas asjad pidevalt muutuvad. Me saame aega mõõta, kuid see voolab sõltumata mateeriast, ruumist või meie mõõtmistest.

  3. Kõik kogevad gravitatsioon. Võib-olla mäletate koolis õppimist, et see on masside vaheline tõmbejõud, kus kõige rohkem tõmbab kõige suurem mass. Newton ütles ka, et vägi tegutses silmapilkselt, ehkki ei tema ega keegi teine ​​polnud selle mõttega eriti rahul.
Sellegipoolest näevad kosmose skaalades, kus on suur aine kontsentratsioon, asjad teisiti. Seal vajame Einsteini abi.

Einsteini universum
Einsteini relatiivsusest tekkinud universum tundus sajand tagasi üsna imelik ja on seda siiani. Kuid tema töö ennustused on testitud ja nad on katsed sooritanud.

Einsteini universumis pole ruum ja aeg üksteisest sõltumatud. Nad on seotud kosmoseaeg. Ehkki meie igapäevane kogemus on kolmemõõtmeline Universum, mille aeg on küljel, on 4-mõõtmelisel kosmoseajal kolm ruumimõõdet ja üks ajamõõde. See 4D ruumiaeg pole miski, mis ümbritseb ainet. Ruumiaeg ja mateeria mõjutavad üksteist.

Proovige kosmoseaega ette kujutada Universumi kangana, mis on kõverdatud ja keerdunud mateeriaga. Meie kui inimesed ei ole piisavalt ruumi, et ruumi aega painutada, kuid liikumine selliste massiivsete kehade lähedal nagu Päike ei ole sirgjooneline. See on mööda nende kehade loodud kosmoseaega. See, kuidas Päike ümbritsevat ruumi kujundab, määrab ära, kuidas teised Päikesesüsteemi kehad liiguvad.

Isegi valgus ei lähe otse läbi Päikese. See paindub, nagu ennustati Einsteini üldise relatiivsusteooria teoorias. 1919. aastal toimunud täieliku päikesevarjutuse ajal näitas valguse paindumist inglise astrofüüsik Arthur Eddington ja teised tähelepanekud on seda kinnitanud. (Lisateabe saamiseks järgige selle artikli all olevat linki "Einsteini varju").

Einsteini teooria kaotab vajaduse jõu järele, mis toimib hetkega üle kosmose avaruse. Kehad liiguvad ruumis läbi kosmoseaja geomeetria, nagu on loonud selles olevad massid. Teoreetiline füüsik John Archibald Wheeler võttis selle kuulsalt kokku järgmiselt: “Kosmoseaeg ütleb, kuidas liikuda; mateeria ütleb kosmoseaja järgi, kuidas kõverdada. ”

Kuna aeg ja ruum on seotud, mõjutab aeg ka massi. Kellad jooksevad kiiremini kõrgetel kõrgustel, kuna nad asuvad Maa massikeskusest kaugemal ja gravitatsioon on pisut nõrgem. Kui kell ei mõõda aega sekundi pisikeste murdosadeni, pole see probleem. Kuid nagu juhtub, peavad GPS-satelliidid olema täpsusega 20–30 nanosekundit. (Nanosekund on sekundist miljardist.) See tähendab, et nende kellad on kohandatud, et võtta arvesse relativistlikke efekte.

Mis on gravitatsioonilained?
Oleme näinud, et kosmoseaeg on ruumi ja aja 4-mõõtmeline ühtesulamine, mida Einstein kirjeldas. Kuid mis võib selles tekitada kolinaid?

Keha oma gravitatsiooniväli on selle ümber kaardus aeg. Kuid geomeetria pole fikseeritud. Veel üks gravitatsioonivälja sisenev mass kiireneb. See muudab geomeetriat ja gravitatsioonikiirgus eraldub. Kiirgust kannavad ära gravitatsioonilained. Einstein arvas, et need lained on analoogsed valgusenergiat kandvate elektromagnetiliste lainetega.

Gravitatsioonilained liiguvad kerge kiirusega, kandes gravitatsioonilist energiat. Kuid erinevalt valgust nad ei reisigi läbi kosmoseaeg. Nad ragistavad kosmoseaega ise, muutes selle laienedes ja kokkutõmbumisel möödudes veidi sarnaseks tiigi pulbitsustega.

Võite küsida, kas kuna me näeme valguse ja vee laineid, kas võiksime näha ka gravitatsioonilaineid? Lihtne vastus on: Ei. Aga kui me näeksime gravitatsioonilainet, näeks see välja nagu see Markus Pösseli lihtsustatud animatsioon. Vaatad ekraanilt välja tulevat lainet enda poole. Pössel ütleb, et ta pidi kauguse muutustega liialdama, et neid nähtavaks teha.Tegeliku laine korral vahemaa "Maa ja Päikese vahel muutuks ainult murdosa ulatuses vesinikuaatomi läbimõõdust".

Einstein oskas hämmastavalt hästi asju korda saata, kuid ta eksis gravitatsioonilainete ühe aspekti osas. Ta ei uskunud, et neid kunagi tuvastatakse, kuna neil on keskkonnale nii väike mõju. Kuid lisaks sellele, et meil oleks tänapäeval uut tehnoloogiat, ei olnud ka 1916. aastal inimeste arusaamad astronoomiast tõeliselt massiivsed objektid, nagu mustad augud ja neutrontähed.

Vaadake järelartiklit, mis näitab, kuidas gravitatsioonilisi laineid on tuvastatud.

Viited:
(1) Richard W. Pogge, „Reaalsus maailmas: GPS-navigatsioonisüsteem” //www.astronomy.ohio-state.edu/~pogge/Ast162/Unit5/gps.html
(2) Markus Pössel, “Gravitatsiooniliste lainedetektorid: kuidas nad töötavad” //www.universetoday.com/127286/gravitational-wave-detectors-how-they-work/

Silte Artikkel: Gravitatsioonilised lained - mis need on ?, astronoomia, gravitatsioonilised lained, mis need on, kosmoseajas kobisevad, Einstein, suhtelisus, Isaac Newton, mateeria, mass, ruum, ruumi aeg, aeg, gravitatsioon, kolmemõõtmeline, päikesesüsteem, üldteooria Relatiivsus, kogu päikesevarjutus, Arthur Eddington, Wheeler, GPS, gravitatsiooniväli, energia, gravitatsioonikiirgus, Mona Evans