Am Donnerstag, den 11. Februar, gab eine Gruppe von Wissenschaftlern des internationalen Projekts LIGO Scientific Collaboration bekannt, dass sie erfolgreich waren, dessen Existenz bereits 1916 von Albert Einstein vorhergesagt wurde. Nach Angaben der Forscher zeichneten sie am 14. September 2015 eine Gravitationswelle auf, die durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher mit einer Masse von 29 und 36 Sonnenmassen verursacht wurde, wonach sie zu einem großen Schwarzen Loch verschmolzen . Ihren Angaben zufolge geschah dies angeblich vor 1,3 Milliarden Jahren in einer Entfernung von 410 Megaparsec von unserer Galaxie.

LIGA.net sprach ausführlich über Gravitationswellen und eine groß angelegte Entdeckung Bohdan Hnatyk, ukrainischer Wissenschaftler, Astrophysiker, Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften, leitender Forscher am Astronomischen Observatorium der Nationalen Taras-Schewtschenko-Universität Kiew, der das Observatorium von 2001 bis 2004 leitete.

Theorie im Klartext

Die Physik untersucht die Wechselwirkung zwischen Körpern. Es wurde festgestellt, dass es vier Arten der Wechselwirkung zwischen Körpern gibt: elektromagnetische, starke und schwache nukleare Wechselwirkung und gravitative Wechselwirkung, die wir alle spüren. Aufgrund der Gravitationswechselwirkung kreisen die Planeten um die Sonne, die Körper haben Gewicht und fallen zu Boden. Der Mensch ist ständig mit gravitativer Wechselwirkung konfrontiert.

1916, vor 100 Jahren, baute Albert Einstein eine Gravitationstheorie auf, die Newtons Gravitationstheorie verbesserte, mathematisch korrekt machte: Sie begann, alle Anforderungen der Physik zu erfüllen, begann, die Tatsache zu berücksichtigen, dass sich die Gravitation sehr hoch ausbreitet , aber endliche Geschwindigkeit. Dies ist zu Recht eine der ehrgeizigsten Errungenschaften Einsteins, da er eine Gravitationstheorie aufgestellt hat, die allen Phänomenen der Physik entspricht, die wir heute beobachten.

Diese Theorie legte auch die Existenz nahe Gravitationswellen. Die Grundlage dieser Vorhersage war, dass Gravitationswellen als Ergebnis der Gravitationswechselwirkung existieren, die aufgrund der Verschmelzung zweier massiver Körper auftritt.

Was ist eine gravitationswelle

In einer komplexen Sprache ist dies die Anregung der Raum-Zeit-Metrik. „Nehmen wir an, der Weltraum hat eine gewisse Elastizität und Wellen können durch ihn laufen. Es ist, als würden wir einen Kieselstein ins Wasser werfen und Wellen davon streuen“, sagte der Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften zu LIGA.net.

Wissenschaftlern gelang es, experimentell nachzuweisen, dass eine solche Schwankung im Universum stattfand und eine Gravitationswelle in alle Richtungen lief. „Die astrophysikalische Methode war die erste, die das Phänomen einer solchen katastrophalen Entwicklung eines binären Systems aufzeichnete, wenn zwei Objekte zu einem verschmelzen und diese Verschmelzung zu einer sehr intensiven Freisetzung von Gravitationsenergie führt, die sich dann in Form von im Raum ausbreitet Gravitationswellen", erklärt der Wissenschaftler.

Wie es aussieht (Foto - EPA)

Diese Gravitationswellen sind sehr schwach und damit sie Raumzeit oszillieren, ist das Zusammenwirken sehr großer und massiver Körper notwendig, damit die Gravitationsfeldstärke am Entstehungsort groß ist. Aber trotz ihrer Schwäche wird der Beobachter nach einer gewissen Zeit (entspricht der Entfernung zur Wechselwirkung dividiert durch die Geschwindigkeit des Signals) diese Gravitationswelle registrieren.

Nehmen wir ein Beispiel: Fällt die Erde auf die Sonne, dann findet eine Gravitationswechselwirkung statt: Gravitationsenergie wird freigesetzt, eine kugelsymmetrische Gravitationswelle bildet sich und der Beobachter kann sie registrieren. „Hier trat ein ähnliches, aber aus Sicht der Astrophysik einzigartiges Phänomen auf: Zwei massive Körper – zwei Schwarze Löcher – kollidierten“, bemerkte Gnatyk.

Zurück zur Theorie

Ein Schwarzes Loch ist eine weitere Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die besagt, dass ein Körper, der eine riesige Masse hat, aber diese Masse in einem kleinen Volumen konzentriert ist, den Raum um ihn herum bis zu seiner Schließung erheblich verzerren kann. Das heißt, es wurde angenommen, dass, wenn eine kritische Konzentration der Masse dieses Körpers erreicht ist – so dass die Größe des Körpers kleiner als der sogenannte Gravitationsradius ist – sich der Raum um diesen Körper schließt und seine Topologie wird so sein, dass sich kein Signal von ihm außerhalb des geschlossenen Raums ausbreiten kann.

„Das heißt, ein Schwarzes Loch ist vereinfacht gesagt ein massives Objekt, das so schwer ist, dass es die Raumzeit um sich herum schließt“, sagt der Wissenschaftler.

Und wir können seiner Meinung nach irgendwelche Signale an dieses Objekt senden, aber er kann uns nicht senden. Das heißt, keine Signale können über das Schwarze Loch hinausgehen.

Ein Schwarzes Loch lebt nach den üblichen physikalischen Gesetzen, aber aufgrund der starken Schwerkraft kann kein einziger materieller Körper, nicht einmal ein Photon, diese kritische Oberfläche überschreiten. Schwarze Löcher entstehen während der Entwicklung gewöhnlicher Sterne, wenn der zentrale Kern zusammenbricht und ein Teil der Materie des Sterns kollabiert und sich in ein Schwarzes Loch verwandelt und der andere Teil des Sterns in Form einer Supernova-Hülle ausgestoßen wird und sich in verwandelt der sogenannte "Blitz" einer Supernova.

Wie wir die Gravitationswelle gesehen haben

Nehmen wir ein Beispiel. Wenn wir zwei Schwimmer auf der Wasseroberfläche haben und das Wasser ruhig ist, ist der Abstand zwischen ihnen konstant. Wenn eine Welle kommt, verschiebt sie diese Schwimmer und der Abstand zwischen den Schwimmern ändert sich. Die Welle ist vorbei - und die Schwimmer kehren zu ihren vorherigen Positionen zurück und der Abstand zwischen ihnen wird wiederhergestellt.

Eine Gravitationswelle breitet sich auf ähnliche Weise in der Raumzeit aus: Sie staucht und dehnt die auf ihrem Weg angetroffenen Körper und Objekte. "Wenn ein bestimmtes Objekt auf dem Weg einer Welle angetroffen wird, verformt es sich entlang seiner Achsen und kehrt nach dem Passieren in seine vorherige Form zurück. Unter dem Einfluss einer Gravitationswelle werden alle Körper verformt, aber diese Verformungen sind sehr stark unbedeutend“, sagt Hnatyk.

Als die Welle vorbeizog, was von Wissenschaftlern aufgezeichnet wurde, änderte sich die relative Größe von Körpern im Weltraum um einen Wert in der Größenordnung von 1 mal 10 hoch minus 21. Potenz. Wenn Sie beispielsweise ein Meterlineal nehmen, dann ist es um einen solchen Wert geschrumpft, dass es seiner Größe entspricht, multipliziert mit 10 auf minus 21 Grad. Dies ist eine sehr kleine Menge. Und das Problem war, dass die Wissenschaftler lernen mussten, wie man diese Entfernung misst. Herkömmliche Methoden ergaben eine Genauigkeit in der Größenordnung von 1 bis 10 hoch 9 einer Million, aber hier ist eine viel höhere Genauigkeit erforderlich. Dazu wurden die sogenannten Gravitationsantennen (Detektoren für Gravitationswellen) geschaffen.

LIGO-Observatorium (Foto - EPA)

Die Antenne, die die Gravitationswellen aufzeichnete, ist so aufgebaut: Es gibt zwei etwa 4 Kilometer lange Röhren, die in Form des Buchstabens „G“ angeordnet sind, aber mit gleichen Armen und im rechten Winkel. Wenn eine Gravitationswelle auf das System trifft, verformt sie die Flügel der Antenne, aber je nach Ausrichtung verformt sie den einen mehr und den anderen weniger. Und dann gibt es einen Gangunterschied, das Interferenzmuster des Signals ändert sich - es gibt eine insgesamt positive oder negative Amplitude.

„Das heißt, der Durchgang einer Gravitationswelle ähnelt einer Welle auf Wasser, die zwischen zwei Schwimmern hindurchgeht: Wenn wir den Abstand zwischen ihnen während und nach dem Durchgang der Welle messen würden, würden wir sehen, dass sich der Abstand ändern und dann werden würde das gleiche nochmal“, sagte Gnatyk.

Es misst auch die relative Abstandsänderung der beiden etwa 4 Kilometer langen Flügel des Interferometers. Und nur sehr präzise Technologien und Systeme können eine solche mikroskopische Verschiebung der Flügel messen, die durch eine Gravitationswelle verursacht wird.

Am Rande des Universums: Woher kam die Welle?

Wissenschaftler haben das Signal mit zwei Detektoren aufgezeichnet, die sich in den Vereinigten Staaten in zwei Bundesstaaten befinden: Louisiana und Washington in einer Entfernung von etwa 3.000 Kilometern. Wissenschaftler konnten abschätzen, wo und aus welcher Entfernung dieses Signal kam. Schätzungen zufolge kam das Signal aus einer Entfernung von 410 Megaparsec. Ein Megaparsec ist die Entfernung, die das Licht in drei Millionen Jahren zurücklegt.

Um es sich einfacher vorzustellen: Die uns am nächsten gelegene aktive Galaxie mit einem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum ist Centaurus A, die vier Megaparsec von unserer entfernt ist, während der Andromeda-Nebel in einer Entfernung von 0,7 Megaparsec liegt. "Das heißt, die Entfernung, aus der das Gravitationswellensignal kam, ist so groß, dass das Signal etwa 1,3 Milliarden Jahre lang zur Erde ging. Dies sind kosmologische Entfernungen, die etwa 10% des Horizonts unseres Universums erreichen", sagte der Wissenschaftler.

In dieser Entfernung verschmolzen in einer fernen Galaxie zwei Schwarze Löcher. Diese Löcher waren einerseits relativ klein, andererseits deutet die große Amplitude des Signals darauf hin, dass sie sehr schwer waren. Es wurde festgestellt, dass ihre Massen 36 bzw. 29 Sonnenmassen betrugen. Die Masse der Sonne ist, wie Sie wissen, ein Wert, der 2 mal 10 hoch 30 eines Kilogramms entspricht. Nach der Verschmelzung verschmolzen diese beiden Körper und nun hat sich an ihrer Stelle ein einziges Schwarzes Loch gebildet, das eine Masse von 62 Sonnenmassen hat. Gleichzeitig spritzten ungefähr drei Sonnenmassen in Form von Gravitationswellenenergie heraus.

Wer hat die Entdeckung gemacht und wann

Wissenschaftlern des internationalen LIGO-Projekts ist es am 14. September 2015 gelungen, eine Gravitationswelle nachzuweisen. LIGO (Laserinterferometrie-Gravitations-Observatorium) ist ein internationales Projekt, an dem sich eine Reihe von Staaten beteiligen, die einen gewissen finanziellen und wissenschaftlichen Beitrag geleistet haben, insbesondere die USA, Italien, Japan, die auf dem Gebiet dieser Studien fortgeschritten sind.

Die Professoren Rainer Weiss und Kip Thorne (Foto - EPA)

Das folgende Bild wurde aufgenommen: Es gab eine Verschiebung der Flügel des Gravitationsdetektors, als Folge des tatsächlichen Durchgangs einer Gravitationswelle durch unseren Planeten und durch diese Installation. Dies wurde damals nicht gemeldet, weil das Signal bearbeitet, "gereinigt", seine Amplitude gefunden und überprüft werden musste. Dies ist ein Standardverfahren: Von einer echten Entdeckung bis zur Meldung einer Entdeckung vergehen mehrere Monate, um einen gültigen Anspruch geltend zu machen. "Niemand will seinen Ruf ruinieren. Das sind alles geheime Daten, vor deren Veröffentlichung niemand davon wusste, es gab nur Gerüchte", sagte Hnatyk.

Geschichte

Gravitationswellen werden seit den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts untersucht. Während dieser Zeit wurden eine Reihe von Detektoren hergestellt und eine Reihe grundlegender Studien durchgeführt. In den 80er Jahren baute der amerikanische Wissenschaftler Joseph Weber die erste Gravitationsantenne in Form eines mehrere Meter großen Aluminiumzylinders, der mit Piezosensoren ausgestattet war, die den Durchgang einer Gravitationswelle aufzeichnen sollten.

Die Empfindlichkeit dieses Instruments war millionenfach schlechter als bei aktuellen Detektoren. Und natürlich konnte er damals die Welle nicht wirklich fixieren, obwohl Weber auch sagte, dass er es getan hat: Die Presse schrieb darüber und es gab einen "Gravitationsboom" - die Welt begann sofort, Gravitationsantennen zu bauen. Weber ermutigte andere Wissenschaftler, Gravitationswellen zu untersuchen und ihre Experimente zu diesem Phänomen fortzusetzen, wodurch die Empfindlichkeit von Detektoren millionenfach gesteigert werden konnte.

Das eigentliche Phänomen der Gravitationswellen wurde jedoch im letzten Jahrhundert aufgezeichnet, als Wissenschaftler einen Doppelpulsar entdeckten. Es war eine indirekte Registrierung der Tatsache, dass Gravitationswellen existieren, bewiesen durch astronomische Beobachtungen. Der Pulsar wurde 1974 von Russell Hulse und Joseph Taylor bei Beobachtungen mit dem Radioteleskop des Arecibo-Observatoriums entdeckt. Wissenschaftler erhielten 1993 den Nobelpreis „für die Entdeckung eines neuen Pulsartyps, der neue Möglichkeiten bei der Erforschung der Gravitation eröffnete“.

Forschung in der Welt und der Ukraine

In Italien steht ein ähnliches Projekt namens Virgo kurz vor dem Abschluss. Auch Japan beabsichtigt, in einem Jahr einen ähnlichen Detektor auf den Markt zu bringen, Indien bereitet ebenfalls ein solches Experiment vor. Das heißt, in vielen Teilen der Welt gibt es ähnliche Detektoren, aber sie haben diesen Empfindlichkeitsmodus noch nicht erreicht, sodass wir über die Fixierung von Gravitationswellen sprechen können.

„Offiziell ist die Ukraine kein Mitglied von LIGO und beteiligt sich auch nicht an den italienischen und japanischen Projekten. Unter diesen grundlegenden Bereichen beteiligt sich die Ukraine jetzt am LHC-Projekt (LHC – Large Hadron Collider) und am CERN“ (wir werden es offiziell tun erst nach Zahlung der Eintrittsgebühr Mitglied werden)", - Bogdan Gnatyk, Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften, gegenüber LIGA.net.

Ihm zufolge ist die Ukraine seit 2015 Vollmitglied der internationalen Kollaboration CTA (MChT-Array of Cherenkov Telescopes), die ein modernes Teleskop-Multi aufbaut TeV weiter Gammabereich (mit Photonenenergien bis 1014 eV). „Die Hauptquellen solcher Photonen sind genau die Umgebung von supermassiven Schwarzen Löchern, deren Gravitationsstrahlung erstmals vom LIGO-Detektor aufgezeichnet wurde. Daher die Öffnung neuer Fenster in der Astronomie – Gravitationswellen und Multi TeV neue elektromagnetische Feld verspricht uns noch viele weitere Entdeckungen in der Zukunft“, ergänzt der Wissenschaftler.

Wie geht es weiter und wie wird neues Wissen den Menschen helfen? Gelehrte widersprechen. Einige sagen, dass dies nur ein weiterer Schritt zum Verständnis der Mechanismen des Universums ist. Andere sehen dies als erste Schritte in Richtung neuer Technologien, um sich durch Zeit und Raum zu bewegen. Auf die eine oder andere Weise hat diese Entdeckung wieder einmal bewiesen, wie wenig wir verstehen und wie viel noch zu lernen ist.

Astrophysiker haben die Existenz von Gravitationswellen bestätigt, deren Existenz vor etwa 100 Jahren von Albert Einstein vorhergesagt wurde. Aufgenommen wurden sie mit Detektoren des Gravitationswellen-Observatoriums LIGO, das sich in den USA befindet.

Zum ersten Mal in der Geschichte hat die Menschheit Gravitationswellen aufgezeichnet – Fluktuationen in der Raumzeit, die durch eine Kollision zweier Schwarzer Löcher weit im Universum auf die Erde kamen. Auch russische Wissenschaftler tragen zu dieser Entdeckung bei. Am Donnerstag sprechen Forscher weltweit über ihre Entdeckung – in Washington, London, Paris, Berlin und anderen Städten, darunter Moskau.

Das Foto zeigt eine Nachahmung der Kollision von Schwarzen Löchern

Auf einer Pressekonferenz im Büro von Rambler & Co gab Valery Mitrofanov, der Leiter des russischen Teils der LIGO-Kollaboration, die Entdeckung von Gravitationswellen bekannt:

„Wir fühlen uns geehrt, an diesem Projekt teilzunehmen und Ihnen die Ergebnisse zu präsentieren. Ich werde Ihnen jetzt die Bedeutung der Entdeckung auf Russisch mitteilen. Wir haben schöne Bilder von LIGO-Detektoren in den USA gesehen. Die Entfernung zwischen ihnen beträgt 3000 km. Unter dem Einfluss einer Gravitationswelle verschob sich einer der Detektoren, woraufhin wir sie entdeckten. Zuerst sahen wir nur Rauschen auf dem Computer, dann begann der Aufbau der Masse der Hamford-Detektoren. Nach Berechnung der erhaltenen Daten konnten wir feststellen, dass es die Schwarzen Löcher waren, die in einer Entfernung von 1,3 mlr kollidierten. Lichtjahre von hier. Das Signal war sehr klar, er kam sehr deutlich aus dem Rauschen heraus. Viele haben uns gesagt, dass wir Glück hatten, aber die Natur hat uns ein solches Geschenk gemacht. Gravitationswellen wurden entdeckt - das ist sicher."

Astrophysiker haben Gerüchte bestätigt, dass sie mit den Detektoren des Gravitationswellen-Observatoriums LIGO Gravitationswellen nachweisen konnten. Diese Entdeckung wird es der Menschheit ermöglichen, bedeutende Fortschritte beim Verständnis der Funktionsweise des Universums zu machen.

Die Entdeckung erfolgte am 14. September 2015 gleichzeitig durch zwei Detektoren in Washington und Louisiana. Das Signal erreichte die Detektoren durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher. Wissenschaftler brauchten so viel Zeit, um sicherzustellen, dass es Gravitationswellen waren, die das Produkt der Kollision waren.

Die Kollision der Löcher erfolgte mit einer Geschwindigkeit von etwa der halben Lichtgeschwindigkeit, was ungefähr 150.792.458 m/s entspricht.

„Die Newtonsche Schwerkraft wurde im flachen Raum beschrieben, und Einstein übersetzte sie in die Ebene der Zeit und schlug vor, dass sie sie verbiegt. Die gravitative Wechselwirkung ist sehr schwach. Auf der Erde ist die Erfahrung, Gravitationswellen zu erzeugen, unmöglich. Sie konnten sie erst nach der Verschmelzung von Schwarzen Löchern entdecken. Der Detektor hat sich, stellen Sie sich das mal vor, um 10 bis -19 Meter verschoben. Berühren Sie es nicht mit Ihren Händen. Nur mit Hilfe von sehr präzisen Instrumenten. Wie kann man es machen? Der Laserstrahl, mit dem die Verschiebung detektiert wurde, ist einzigartig in der Natur. 2015 ging die Lasergravitationsantenne der zweiten Generation LIGO in Betrieb. Die Empfindlichkeit ermöglicht es, etwa einmal im Monat Gravitationsstörungen zu registrieren. Dies ist die fortgeschrittene Welt und die amerikanische Wissenschaft, es gibt nichts Genaueres auf der Welt. Wir hoffen, dass er in der Lage sein wird, die Standard-Quantengrenze der Empfindlichkeit zu überwinden“, erklärte die Entdeckung. Sergey Vyatchanin, ein Mitarbeiter der Fakultät für Physik der Staatlichen Universität Moskau und der LIGO-Kollaboration.

Die Standard-Quantengrenze (SQL) in der Quantenmechanik ist eine Begrenzung der Genauigkeit einer kontinuierlichen oder mehrfach wiederholten Messung einer Größe, die von einem Operator beschrieben wird, der nicht zu unterschiedlichen Zeiten mit sich selbst pendelt. 1967 von V. B. Braginsky vorhergesagt, und der Begriff Standard Quantum Limit (SQL) wurde später von Thorne vorgeschlagen. Die SQL ist eng mit der Heisenbergschen Unschärferelation verwandt.

Zusammenfassend sprach Valery Mitrofanov über Pläne für weitere Forschungen:

„Diese Entdeckung ist der Beginn einer neuen Gravitationswellenastronomie. Durch den Kanal der Gravitationswellen erwarten wir, mehr über das Universum zu erfahren. Wir kennen die Zusammensetzung von nur 5% der Materie, der Rest ist ein Rätsel. Gravitationsdetektoren ermöglichen es Ihnen, den Himmel in "Gravitationswellen" zu sehen. In Zukunft hoffen wir, den Anfang von allem zu sehen, also den kosmischen Mikrowellenhintergrund des Urknalls, und zu verstehen, was genau damals passiert ist.“

Gravitationswellen wurden erstmals 1916, also vor ziemlich genau 100 Jahren, von Albert Einstein vorgeschlagen. Die Wellengleichung ist eine Folgerung aus den Gleichungen der Relativitätstheorie und wird nicht auf einfachste Weise hergeleitet.

Der kanadische theoretische Physiker Clifford Burgess veröffentlichte zuvor einen Brief, in dem es hieß, das Observatorium habe Gravitationsstrahlung entdeckt, die durch die Verschmelzung eines Doppelsystems aus Schwarzen Löchern mit Massen von 36 und 29 Sonnenmassen zu einem Objekt mit einer Masse von 62 Sonnenmassen verursacht wurde. Die Kollision und der asymmetrische Gravitationskollaps dauern den Bruchteil einer Sekunde, und während dieser Zeit gehen bis zu 50 Prozent der Masse des Systems in die Gravitationsstrahlung – die Kräuselungen der Raumzeit.

Eine Gravitationswelle ist eine Gravitationswelle, die in den meisten Gravitationstheorien durch die Bewegung von Gravitationskörpern mit variabler Beschleunigung erzeugt wird. Angesichts der relativen Schwäche der Gravitationskräfte (im Vergleich zu anderen) sollten diese Wellen eine sehr kleine Größe haben, die schwer zu registrieren ist. Ihre Existenz wurde vor etwa einem Jahrhundert von Albert Einstein vorhergesagt.

Valentin Nikolaevich Rudenko erzählt die Geschichte seines Besuchs in der Stadt Kashina (Italien), wo er eine Woche an der neu gebauten „Gravitationsantenne“ – Michelsons optischem Interferometer – verbrachte. Auf dem Weg zum Ziel interessiert sich der Taxifahrer dafür, wofür die Anlage gebaut wurde. „Die Leute hier denken, es sei für ein Gespräch mit Gott“, gibt der Fahrer zu.

– Was sind Gravitationswellen?

– Eine Gravitationswelle ist einer der „Träger astrophysikalischer Informationen“. Es gibt sichtbare Kanäle astrophysikalischer Informationen, eine besondere Rolle beim „Fernsehen“ kommt den Teleskopen zu. Astronomen beherrschen auch Niederfrequenzkanäle – Mikrowelle und Infrarot sowie Hochfrequenz – Röntgen und Gamma. Neben elektromagnetischer Strahlung können wir Teilchenströme aus dem Kosmos registrieren. Dazu werden Neutrino-Teleskope eingesetzt – großformatige Detektoren kosmischer Neutrinos – Teilchen, die schwach mit Materie wechselwirken und daher schwer zu registrieren sind. Nahezu alle theoretisch vorhergesagten und im Labor untersuchten Arten von „Trägern astrophysikalischer Informationen“ werden in der Praxis zuverlässig beherrscht. Die Ausnahme war die Gravitation – die schwächste Wechselwirkung im Mikrokosmos und die stärkste Kraft im Makrokosmos.

Schwerkraft ist Geometrie. Gravitationswellen sind geometrische Wellen, d. h. Wellen, die die geometrischen Eigenschaften des Raums verändern, wenn sie sich durch diesen Raum bewegen. Grob gesagt sind das Wellen, die den Raum verformen. Verformung ist die relative Abstandsänderung zwischen zwei Punkten. Gravitationsstrahlung unterscheidet sich von allen anderen Strahlungsarten gerade dadurch, dass sie geometrisch sind.

Hat Einstein Gravitationswellen vorhergesagt?

- Formal wird angenommen, dass Gravitationswellen von Einstein als eine der Folgen seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurden, aber tatsächlich wird ihre Existenz bereits in der speziellen Relativitätstheorie offensichtlich.

Die Relativitätstheorie legt nahe, dass aufgrund der Anziehungskraft der Schwerkraft ein Gravitationskollaps möglich ist, dh die Kontraktion eines Objekts infolge des Kollapses, grob gesagt, zu einem Punkt. Dann ist die Schwerkraft so stark, dass ihr nicht einmal Licht entkommen kann, daher wird ein solches Objekt bildlich als Schwarzes Loch bezeichnet.

- Was ist die Besonderheit der gravitativen Wechselwirkung?

Ein Merkmal der Gravitationswechselwirkung ist das Äquivalenzprinzip. Ihm zufolge hängt die dynamische Reaktion eines Testkörpers in einem Gravitationsfeld nicht von der Masse dieses Körpers ab. Einfach ausgedrückt fallen alle Körper mit der gleichen Beschleunigung.

Die Gravitationskraft ist die schwächste, die wir heute kennen.

- Wer hat als erster versucht, eine Gravitationswelle einzufangen?

– Das Gravitationswellenexperiment wurde erstmals von Joseph Weber von der University of Maryland (USA) durchgeführt. Er schuf einen Gravitationsdetektor, der heute im Smithsonian Museum in Washington aufbewahrt wird. In den Jahren 1968-1972 führte Joe Weber eine Reihe von Beobachtungen mit einem Paar voneinander beabstandeter Detektoren durch, um Fälle von "Zufällen" zu isolieren. Die Rezeption von Zufällen ist der Kernphysik entlehnt. Die geringe statistische Signifikanz der von Weber empfangenen Gravitationssignale führte zu einer kritischen Haltung gegenüber den Ergebnissen des Experiments: Es gab keine Gewissheit, dass Gravitationswellen nachgewiesen werden konnten. In Zukunft versuchten Wissenschaftler, die Empfindlichkeit von Weber-Detektoren zu erhöhen. Es dauerte 45 Jahre, einen Detektor zu entwickeln, dessen Empfindlichkeit der astrophysikalischen Vorhersage entsprach.

Während des Beginns des Experiments vor der Fixierung fanden viele andere Experimente statt, während dieser Zeit wurden Impulse aufgezeichnet, die jedoch zu wenig Intensität hatten.

- Warum wurde die Fixierung des Signals nicht sofort angekündigt?

– Bereits im September 2015 wurden Gravitationswellen aufgezeichnet. Aber selbst wenn ein Zufall aufgezeichnet wurde, muss bewiesen werden, bevor erklärt wird, dass es sich nicht um einen Zufall handelt. In dem von jeder Antenne abgenommenen Signal gibt es immer Rauschbursts (kurzzeitige Bursts), und einer von ihnen kann versehentlich gleichzeitig mit einem Rauschburst auf einer anderen Antenne auftreten. Dass die Koinzidenz kein Zufall war, lässt sich nur mit Hilfe statistischer Schätzungen nachweisen.

– Warum sind Entdeckungen im Bereich der Gravitationswellen so wichtig?

- Die Fähigkeit, den Gravitationshintergrund des Relikts zu registrieren und seine Eigenschaften wie Dichte, Temperatur usw. zu messen, ermöglicht es uns, uns dem Beginn des Universums zu nähern.

Das Attraktive ist, dass Gravitationsstrahlung schwer nachzuweisen ist, weil sie sehr schwach mit Materie wechselwirkt. Aber dank derselben Eigenschaft geht es ohne Absorption von den am weitesten entfernten Objekten von uns mit den mysteriösesten Eigenschaften aus Sicht der Materie über.

Wir können sagen, dass Gravitationsstrahlungen ohne Verzerrung passieren. Das ehrgeizigste Ziel ist es, die Gravitationsstrahlung zu untersuchen, die in der Urknalltheorie, die im Moment der Entstehung des Universums entstand, von der Primärmaterie getrennt wurde.

– Schließt die Entdeckung der Gravitationswellen die Quantentheorie aus?

Die Gravitationstheorie geht von der Existenz eines Gravitationskollaps aus, d. h. der Kontraktion massiver Objekte zu einem Punkt. Gleichzeitig legt die von der Kopenhagener Schule entwickelte Quantentheorie nahe, dass es dank der Unbestimmtheitsrelation unmöglich ist, Parameter wie Position, Geschwindigkeit und Impuls eines Körpers gleichzeitig genau anzugeben. Hier gibt es ein Unschärfeprinzip, es ist unmöglich, die Flugbahn genau zu bestimmen, weil die Flugbahn sowohl eine Koordinate als auch eine Geschwindigkeit ist usw. Es ist möglich, innerhalb dieses Fehlers, der mit den Prinzipien verbunden ist, nur einen bestimmten bedingten Vertrauenskorridor zu bestimmen der Ungewissheit. Die Quantentheorie verneint kategorisch die Möglichkeit von Punktobjekten, beschreibt sie aber statistisch probabilistisch: Sie gibt nicht konkret die Koordinaten an, sondern gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass sie bestimmte Koordinaten hat.

Die Frage der Vereinigung von Quantentheorie und Gravitationstheorie ist eine der Grundfragen bei der Schaffung einer einheitlichen Feldtheorie.

Sie arbeiten jetzt weiter daran, und die Worte „Quantengravitation“ meinen ein völlig fortgeschrittenes Gebiet der Wissenschaft, die Grenze von Wissen und Unwissenheit, an der jetzt alle Theoretiker der Welt arbeiten.

– Was kann die Entdeckung in der Zukunft bringen?

Gravitationswellen müssen als eine der Komponenten unseres Wissens unweigerlich die Grundlage der modernen Wissenschaft bilden. Ihnen wird eine bedeutende Rolle in der Evolution des Universums zugeschrieben und mit Hilfe dieser Wellen soll das Universum erforscht werden. Die Entdeckung trägt zur Gesamtentwicklung von Wissenschaft und Kultur bei.

Wenn Sie sich entscheiden, über den Rahmen der heutigen Wissenschaft hinauszugehen, dann ist es zulässig, sich Telekommunikations-Gravitationskommunikationsleitungen, Strahlapparate auf Gravitationsstrahlung, Gravitationswellen-Introskopiegeräte vorzustellen.

- Haben Gravitationswellen eine Beziehung zu außersinnlicher Wahrnehmung und Telepathie?

Nicht haben. Die beschriebenen Effekte sind die Effekte der Quantenwelt, die Effekte der Optik.

Interview mit Anna Utkina

Mich interessiert aber mehr, was für Unerwartetes man mit Hilfe von Gravitationswellen entdecken kann. Jedes Mal, wenn Menschen das Universum auf neue Weise beobachtet haben, haben wir viele unerwartete Dinge entdeckt, die unser Verständnis des Universums auf den Kopf gestellt haben. Ich möchte diese Gravitationswellen finden und etwas entdecken, von dem wir vorher keine Ahnung hatten.

Wird uns das helfen, einen echten Warp-Antrieb zu bauen?

Da Gravitationswellen schwach mit Materie wechselwirken, können sie kaum genutzt werden, um diese Materie zu bewegen. Aber selbst wenn Sie könnten, eine Gravitationswelle bewegt sich nur mit Lichtgeschwindigkeit. Sie funktionieren nicht für einen Warp-Antrieb. Obwohl es cool wäre.

Wie wäre es mit Anti-Schwerkraft-Geräten?

Um ein Antigravitationsgerät herzustellen, müssen wir die Anziehungskraft in eine Abstoßungskraft umwandeln. Und obwohl eine Gravitationswelle Änderungen in der Schwerkraft fortpflanzt, wird diese Änderung niemals abstoßend (oder negativ) sein.

Die Schwerkraft zieht immer an, weil negative Masse nicht zu existieren scheint. Schließlich gibt es positive und negative Ladung, einen magnetischen Nord- und Südpol, aber nur positive Masse. Wieso den? Wenn es negative Masse gäbe, würde der Materieball nach oben statt nach unten fallen. Es würde von der positiven Masse der Erde abgestoßen.

Was bedeutet das für die Möglichkeit von Zeitreisen und Teleportation? Können wir eine praktische Anwendung für dieses Phänomen finden, abgesehen von der Untersuchung unseres Universums?

Jetzt ist der beste Weg, in der Zeit zu reisen (und nur in der Zukunft), mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zu reisen (denken Sie an das Zwillingsparadoxon in der Allgemeinen Relativitätstheorie) oder in ein Gebiet mit erhöhter Schwerkraft zu gehen (diese Art von Zeitreisen wurde in Interstellar demonstriert). . Da eine Gravitationswelle Änderungen der Schwerkraft fortpflanzt, gibt es sehr kleine Schwankungen in der Zeitgeschwindigkeit, aber da Gravitationswellen von Natur aus schwach sind, sind es auch die zeitlichen Schwankungen. Und obwohl ich nicht glaube, dass Sie dies auf Zeitreisen (oder Teleportation) anwenden können, sagen Sie niemals nie (ich wette, Sie haben Ihnen den Atem geraubt).

Wird der Tag kommen, an dem wir aufhören, Einstein zu bestätigen, und wieder anfangen, nach seltsamen Dingen zu suchen?

Sicherlich! Da die Schwerkraft die schwächste der Kräfte ist, ist es auch schwierig, damit zu experimentieren. Bisher haben Wissenschaftler jedes Mal, wenn sie GR auf die Probe gestellt haben, genau vorhergesagte Ergebnisse erhalten. Auch die Entdeckung der Gravitationswellen bestätigte erneut Einsteins Theorie. Aber ich denke, wenn wir anfangen, die kleinsten Details der Theorie zu testen (vielleicht mit Gravitationswellen, vielleicht mit einer anderen), werden wir "komische" Dinge finden, wie das Ergebnis des Experiments, das nicht genau mit der Vorhersage übereinstimmt. Dies bedeutet nicht den Irrtum von GR, sondern nur die Notwendigkeit, seine Details zu klären.

Jedes Mal, wenn wir eine Frage über die Natur beantworten, tauchen neue auf. Am Ende werden wir Fragen haben, die cooler sein werden als die Antworten, die GR zulassen kann.

Können Sie erklären, wie diese Entdeckung mit der einheitlichen Feldtheorie zusammenhängen oder diese beeinflussen könnte? Sind wir näher daran, es zu bestätigen oder zu entlarven?

Nun sind die Ergebnisse unserer Entdeckung hauptsächlich der Überprüfung und Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie gewidmet. Die Einheitliche Feldtheorie sucht nach einem Weg, eine Theorie zu schaffen, die die Physik des sehr Kleinen (Quantenmechanik) und des sehr Großen (Allgemeine Relativitätstheorie) erklärt. Nun können diese beiden Theorien verallgemeinert werden, um das Ausmaß der Welt, in der wir leben, zu erklären, aber nicht mehr. Da sich unsere Entdeckung auf die Physik des Allergrößten konzentriert, wird sie an sich wenig dazu beitragen, uns in Richtung einer einheitlichen Theorie voranzubringen. Aber das ist nicht der Punkt. Jetzt ist das Gebiet der Gravitationswellenphysik gerade erst geboren worden. Wenn wir mehr lernen, werden wir unsere Ergebnisse sicherlich auf den Bereich einer einheitlichen Theorie erweitern. Aber bevor Sie laufen, müssen Sie gehen.

Jetzt, wo wir Gravitationswellen hören, was müssen Wissenschaftler hören, um buchstäblich einen Ziegelstein zu treten? 1) Unnatürliche Muster/Strukturen? 2) Quellen von Gravitationswellen aus Regionen, die wir als leer betrachteten? 3) Rick Astley

Als ich Ihre Frage las, erinnerte ich mich sofort an die Szene aus "Contact", in der das Radioteleskop Muster von Primzahlen aufnimmt. Es ist unwahrscheinlich, dass dies in der Natur zu finden ist (soweit wir wissen). Ihre Version mit einem unnatürlichen Muster oder einer unnatürlichen Struktur wäre also am wahrscheinlichsten.

Ich glaube nicht, dass wir jemals sicher sein werden, dass es in einer bestimmten Region des Weltraums Leere gibt. Immerhin war das von uns gefundene Schwarze-Loch-System isoliert, und aus dieser Region kam kein Licht, aber wir fanden dort immer noch Gravitationswellen.

Was die Musik angeht... Ich bin darauf spezialisiert, Gravitationswellensignale vom statischen Rauschen zu trennen, das wir ständig vor dem Hintergrund der Umgebung messen. Wenn ich Musik in einer Gravitationswelle finden könnte, besonders in einer, die ich schon einmal gehört habe, wäre es ein Streich. Aber Musik, die noch nie auf der Erde gehört wurde ... Es wäre wie in den einfachen Fällen von "Contact".

Da das Experiment Wellen registriert, indem es den Abstand zwischen zwei Objekten ändert, ist die Amplitude in einer Richtung größer als in der anderen? Würden die Messwerte sonst nicht bedeuten, dass sich die Größe des Universums ändert? Und wenn ja, bestätigt diese Erweiterung oder etwas Unerwartetes?

Wir müssen viele Gravitationswellen sehen, die aus vielen verschiedenen Richtungen im Universum kommen, bevor wir diese Frage beantworten können. In der Astronomie entsteht dadurch ein Bevölkerungsmodell. Wie viele verschiedene Arten von Dingen gibt es? Dies ist die Hauptfrage. Sobald wir viele Beobachtungen haben und anfangen, unerwartete Muster zu sehen, zum Beispiel, dass Gravitationswellen eines bestimmten Typs aus einem bestimmten Teil des Universums und nirgendwo sonst kommen, wird dies ein sehr interessantes Ergebnis sein. Einige Muster könnten die Expansion bestätigen (wobei wir uns ziemlich sicher sind) oder andere Phänomene, die uns noch nicht bewusst sind. Aber zuerst müssen Sie noch viel mehr Gravitationswellen sehen.

Es ist mir völlig unverständlich, wie die Wissenschaftler festgestellt haben, dass die von ihnen gemessenen Wellen zu zwei supermassereichen Schwarzen Löchern gehören. Wie kann man die Quelle der Wellen mit solcher Genauigkeit bestimmen?

Datenanalysemethoden verwenden einen Katalog vorhergesagter Gravitationswellensignale zum Vergleich mit unseren Daten. Wenn es eine starke Korrelation mit einer dieser Vorhersagen oder Muster gibt, dann wissen wir nicht nur, dass es sich um eine Gravitationswelle handelt, sondern wir wissen auch, welches System sie erzeugt hat.

Jede einzelne Möglichkeit, eine Gravitationswelle zu erzeugen, ob es sich um verschmelzende Schwarze Löcher, um sich drehende oder sterbende Sterne handelt, alle Wellen haben unterschiedliche Formen. Wenn wir eine Gravitationswelle entdecken, verwenden wir diese Formen, wie sie von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt werden, um ihre Ursache zu bestimmen.

Woher wissen wir, dass diese Wellen von der Kollision zweier Schwarzer Löcher herrührten und nicht von einem anderen Ereignis? Ist es möglich, mit einiger Genauigkeit vorherzusagen, wo oder wann ein solches Ereignis stattgefunden hat?

Sobald wir wissen, welches System die Gravitationswelle erzeugt hat, können wir vorhersagen, wie stark die Gravitationswelle in der Nähe ihres Entstehungsortes war. Indem wir seine Stärke messen, wenn es die Erde erreicht, und unsere Messungen mit der vorhergesagten Stärke der Quelle vergleichen, können wir berechnen, wie weit die Quelle entfernt ist. Da sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, können wir auch berechnen, wie lange Gravitationswellen brauchten, um zur Erde zu gelangen.

Bei dem von uns entdeckten Schwarzen-Loch-System haben wir die maximale Längenänderung der LIGO-Arme pro 1/1000 des Protonendurchmessers gemessen. Dieses System befindet sich 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt. Die im September entdeckte und neulich angekündigte Gravitationswelle bewegt sich seit 1,3 Milliarden Jahren auf uns zu. Dies geschah, bevor sich tierisches Leben auf der Erde bildete, aber nach der Entstehung vielzelliger Organismen.

Zum Zeitpunkt der Ankündigung hieß es, andere Detektoren würden nach Wellen mit längerer Periode suchen – einige davon seien kosmisch. Was können Sie uns über diese großen Detektoren sagen?

Ein Weltraumdetektor ist tatsächlich in der Entwicklung. Es heißt LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Da es sich im Weltraum befinden wird, wird es im Gegensatz zu terrestrischen Detektoren aufgrund der natürlichen Vibrationen der Erde ziemlich empfindlich auf niederfrequente Gravitationswellen reagieren. Es wird schwierig, weil die Satelliten weiter von der Erde entfernt sein müssen, als je ein Mensch gewesen ist. Wenn etwas schief geht, können wir keine Astronauten zur Reparatur schicken, . Um die erforderlichen Technologien zu testen, . Bisher hat sie alle gestellten Aufgaben bewältigt, aber die Mission ist noch lange nicht zu Ende.

Können Gravitationswellen in Schallwellen umgewandelt werden? Und wenn ja, wie werden sie aussehen?

Dürfen. Natürlich werden Sie nicht nur eine Gravitationswelle hören. Aber wenn Sie das Signal nehmen und es durch die Lautsprecher leiten, können Sie es hören.

Was sollen wir mit diesen Informationen tun? Bestrahlen diese Wellen andere astronomische Objekte mit erheblicher Masse? Können Wellen verwendet werden, um nach Planeten oder einfachen Schwarzen Löchern zu suchen?

Bei der Suche nach Gravitationswerten kommt es nicht nur auf die Masse an. Auch die Beschleunigung, die dem Objekt innewohnt. Die von uns gefundenen Schwarzen Löcher umkreisten sich bei ihrer Verschmelzung mit 60 % der Lichtgeschwindigkeit. Daher konnten wir sie während der Fusion erkennen. Aber jetzt empfangen sie keine Gravitationswellen mehr, da sie zu einer sesshaften Masse verschmolzen sind.

Alles, was viel Masse hat und sich sehr schnell bewegt, erzeugt Gravitationswellen, die Sie aufnehmen können.

Es ist unwahrscheinlich, dass Exoplaneten genug Masse oder Beschleunigung haben, um nachweisbare Gravitationswellen zu erzeugen. (Ich sage nicht, dass sie sie überhaupt nicht machen, nur dass sie nicht stark genug sind oder eine andere Frequenz haben). Selbst wenn der Exoplanet massiv genug ist, um die notwendigen Wellen zu erzeugen, wird die Beschleunigung ihn zerreißen. Vergessen Sie nicht, dass die massereichsten Planeten in der Regel Gasriesen sind.

Wie wahr ist die Analogie von Wellen im Wasser? Können wir diese Wellen reiten? Gibt es gravitative „Peaks“ wie die bereits bekannten „Brunnen“?

Da sich Gravitationswellen durch Materie bewegen können, gibt es keine Möglichkeit, sie zu reiten oder sie zur Fortbewegung zu nutzen. Also kein Gravitationswellensurfen.

"Gipfel" und "Brunnen" sind wunderbar. Die Schwerkraft zieht immer an, weil es keine negative Masse gibt. Wir wissen nicht warum, aber es wurde nie im Labor oder im Universum beobachtet. Daher wird die Schwerkraft normalerweise als "Brunnen" dargestellt. Die Masse, die sich entlang dieses "Brunnens" bewegt, wird nach innen fallen; So funktioniert Anziehung. Wenn Sie eine negative Masse haben, erhalten Sie eine Abstoßung und damit einen „Peak“. Masse, die sich an der "Spitze" bewegt, krümmt sich davon weg. Es gibt also „Brunnen“, aber keine „Spitzen“.

Die Wasseranalogie ist in Ordnung, solange wir darüber sprechen, dass die Stärke der Welle mit der zurückgelegten Entfernung von der Quelle abnimmt. Die Wasserwelle wird immer kleiner und die Gravitationswelle wird immer schwächer.

Wie wird diese Entdeckung unsere Beschreibung der inflationären Periode des Urknalls beeinflussen?

Im Moment hat diese Entdeckung praktisch keinen Einfluss auf die Inflation. Um solche Aussagen treffen zu können, ist es notwendig, die Relikte der Gravitationswellen des Urknalls zu beobachten. Das BICEP2-Projekt glaubte, diese Gravitationswellen indirekt zu beobachten, aber es stellte sich heraus, dass kosmischer Staub schuld war. Wenn er die richtigen Daten bekommt, wird damit auch die Existenz einer kurzen Inflationsphase kurz nach dem Urknall bestätigt.

LIGO wird diese Gravitationswellen direkt sehen können (es wird auch die schwächste Art von Gravitationswellen sein, die wir zu entdecken hoffen). Wenn wir sie sehen, können wir tief in die Vergangenheit des Universums blicken, wie wir es noch nie zuvor gesehen haben, und die Inflation anhand der erhaltenen Daten beurteilen.