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„Kürzlich stieß eine Reihe von Langzeitexperimenten zur direkten Beobachtung von Gravitationswellen auf großes Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft“, schrieb ein Fachmann auf diesem Gebiet Theoretische Physik Michio Kaku im Buch „Einsteins Kosmos“ im Jahr 2004. — Das LIGO-Projekt („Laser Interferometer for Observing Gravitational Waves“) könnte das erste sein, das Gravitationswellen „sieht“, höchstwahrscheinlich aus der Kollision zweier Schwarzer Löcher tiefer Raum. LIGO – der wahrgewordene Traum eines Physikers, die erste Installation ausreichend Leistung zur Messung von Gravitationswellen.“

Kakus Vorhersage wurde wahr: Am Donnerstag gab eine Gruppe internationaler Wissenschaftler des LIGO-Observatoriums die Entdeckung von Gravitationswellen bekannt.

Gravitationswellen sind Schwingungen in der Raumzeit, die massiven Objekten (z. B. Schwarzen Löchern) „entkommen“, die sich mit Beschleunigung bewegen. Mit anderen Worten: Gravitationswellen sind eine sich ausbreitende Störung der Raumzeit, eine wandernde Verformung der absoluten Leere.

Ein Schwarzes Loch ist eine Region in der Raumzeit, deren Anziehungskraft so stark ist, dass selbst Objekte, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen (einschließlich Licht selbst), sie nicht verlassen können. Die Grenze, die ein Schwarzes Loch vom Rest der Welt trennt, wird Ereignishorizont genannt: Alles, was innerhalb des Ereignishorizonts passiert, bleibt den Augen eines externen Beobachters verborgen.

Erin Ryan Ein Foto eines Kuchens, online gepostet von Erin Ryan.

Vor einem halben Jahrhundert begannen Wissenschaftler mit der Beobachtung von Gravitationswellen: Damals begann sich der amerikanische Physiker Joseph Weber für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (GTR) zu interessieren, nahm sich eine Auszeit und begann, Gravitationswellen zu erforschen. Weber erfand das erste Gerät zum Nachweis von Gravitationswellen und gab bald bekannt, dass er „den Klang von Gravitationswellen“ aufgezeichnet hatte. Die wissenschaftliche Gemeinschaft widerlegte seine Botschaft jedoch.

Es war jedoch Joseph Weber zu verdanken, dass viele Wissenschaftler zu „Wellenjägern“ wurden. Heute gilt Weber als Vater wissenschaftliche Ausrichtung Gravitationswellenastronomie.

„Dies ist der Beginn einer neuen Ära der Gravitationsastronomie“

Das LIGO-Observatorium, an dem Wissenschaftler Gravitationswellen aufzeichneten, besteht aus drei Laserinstallationen in den Vereinigten Staaten: zwei befinden sich im Bundesstaat Washington und eine in Louisiana. So beschreibt Michio Kaku die Funktionsweise von Laserdetektoren: „Der Laserstrahl wird in zwei separate Strahlen aufgeteilt, die dann senkrecht zueinander verlaufen. Dann verbinden sie sich im Spiegel wieder. Wenn das Interferometer (Messgerät) durchläuft Gravitationswelle, werden die Weglängen der beiden Laserstrahlen gestört, was sich in ihrem Interferenzmuster widerspiegelt. Um sicherzustellen, dass das vom Lasersystem aufgezeichnete Signal nicht zufällig ist, sollten die Detektoren angebracht werden verschiedene Punkte Erde.

Nur unter dem Einfluss einer gigantischen Gravitationswelle, die viel größer ist als unser Planet, können alle Detektoren gleichzeitig arbeiten.“

Jetzt hat die LIGO-Kollaboration 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 entsteht. „Dies ist die erste direkte (es ist sehr wichtig, dass es direkt ist!) Messung der Wirkung von Gravitationswellen“, kommentierte Sergei Vyatchanin, Professor an der Fakultät für Physik der Moskauer Staatlichen Universität, dem Korrespondenten der Gazeta.Ru Wissenschaftsabteilung. — Das heißt, es wurde ein Signal von der astrophysikalischen Katastrophe der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher empfangen. Und dieses Signal wird identifiziert – das ist auch sehr wichtig! Es ist klar, dass es sich dabei um zwei Schwarze Löcher handelt. Und dies ist der Beginn einer neuen Ära der Gravitationsastronomie, die es ermöglichen wird, Informationen über das Universum nicht nur durch optische, Röntgen-, elektromagnetische und Neutrinoquellen, sondern auch durch Gravitationswellen zu gewinnen.

Wir können sagen, dass 90 Prozent der Schwarzen Löcher keine hypothetischen Objekte mehr sind. Es bleiben einige Zweifel bestehen, aber dennoch passt das eingefangene Signal sehr gut zu dem, was unzählige Simulationen der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher im Einklang mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhersagen.

Dies ist ein starkes Argument dafür, dass Schwarze Löcher existieren. Eine andere Erklärung für dieses Signal gibt es bisher nicht. Daher wird angenommen, dass es Schwarze Löcher gibt.“

„Einstein würde sich sehr freuen“

Gravitationswellen wurden von Albert Einstein (der übrigens der Existenz von Schwarzen Löchern skeptisch gegenüberstand) im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. In GTO um drei räumliche Dimensionen Zeit kommt hinzu und die Welt wird vierdimensional. Nach der Theorie, die die gesamte Physik auf den Kopf gestellt hat, ist die Schwerkraft eine Folge der Krümmung der Raumzeit unter dem Einfluss der Masse.

Einstein bewies, dass jede Materie, die sich mit Beschleunigung bewegt, eine Störung in der Raumzeit erzeugt – eine Gravitationswelle. Diese Störung ist umso größer, je höher die Beschleunigung und Masse des Objekts ist.

Aufgrund der Schwäche der Gravitationskräfte im Vergleich zu anderen fundamentalen Wechselwirkungen sollten diese Wellen eine sehr kleine Größe haben und schwer zu registrieren sein.

Wenn Physiker Geisteswissenschaftlern die Allgemeine Relativitätstheorie erklären, bitten sie sie oft, sich eine gespannte Gummiplatte vorzustellen, auf die riesige Kugeln herabgelassen werden. Die Kugeln drücken sich durch das Gummi und die gedehnte Folie (die die Raumzeit darstellt) wird verformt. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie besteht das gesamte Universum aus Gummi, in dem jeder Planet, jeder Stern und jede Galaxie Dellen hinterlässt. Unsere Erde dreht sich um die Sonne wie eine kleine Kugel, die so geschleudert wird, dass sie um den Kegel eines Trichters rollt, der durch das „Schieben“ der Raumzeit durch eine schwere Kugel entsteht.

HANDOUT/Reuters

Der schwere Ball ist die Sonne

Es ist wahrscheinlich, dass die Entdeckung der Gravitationswellen, die die wichtigste Bestätigung von Einsteins Theorie darstellt, für den Nobelpreis für Physik in Frage kommt. „Einstein würde sich sehr freuen“, sagte Gabriella Gonzalez, eine Sprecherin der LIGO-Zusammenarbeit.

Wissenschaftlern zufolge ist es noch zu früh, um über die praktische Anwendbarkeit der Entdeckung zu sprechen. „Obwohl es nicht Heinrich Hertz (deutscher Physiker) ist, der die Existenz bewiesen hat elektromagnetische Wellen. - „Gazeta.Ru“) hätte gedacht, dass es passieren würde Mobiltelefon? NEIN! „Wir können uns jetzt nichts vorstellen“, sagte Valery Mitrofanov, Professor an der Fakultät für Physik der Moskauer Staatlichen Universität. M.V. Lomonossow. — Ich konzentriere mich auf den Film „Interstellar“. Er wird kritisiert, ja, aber auch ein wilder Mann könnte sich einen fliegenden Teppich vorstellen. Und der Zauberteppich verwandelte sich in ein Flugzeug, und das war's. Und hier müssen wir uns etwas sehr Komplexes vorstellen. In Interstellar hängt einer der Punkte mit der Tatsache zusammen, dass eine Person von einer Welt in eine andere reisen kann. Wenn Sie sich das so vorstellen, glauben Sie dann, dass ein Mensch von einer Welt in eine andere reisen kann, dass es viele Universen geben kann – irgendetwas? Ich kann nicht mit Nein antworten. Denn ein Physiker kann eine solche Frage nicht mit „Nein“ beantworten! Nur wenn es einigen Naturschutzgesetzen widerspricht! Es gibt Optionen, die bekannten physikalischen Gesetzen nicht widersprechen. Es kann also eine Reise durch die Welten geben!“

Valentin Nikolaevich Rudenko erzählt die Geschichte seines Besuchs in der Stadt Cascina (Italien), wo er eine Woche an der damals gerade gebauten „Gravitationsantenne“ verbrachte – dem optischen Interferometer von Michelson. Auf dem Weg zum Ziel fragt der Taxifahrer, warum die Anlage gebaut wurde. „Die Leute hier denken, es geht darum, mit Gott zu reden“, gibt der Fahrer zu.

– Was sind Gravitationswellen?

– Eine Gravitationswelle ist einer der „Träger astrophysikalischer Informationen“. Es gibt sichtbare Kanäle astrophysikalischer Informationen; Teleskope spielen bei der „Fernsicht“ eine besondere Rolle. Astronomen beherrschen auch niederfrequente Kanäle – Mikrowelle und Infrarot – sowie hochfrequente Kanäle – Röntgen und Gamma. Außer elektromagnetische Strahlung, können wir Teilchenströme aus dem Weltraum registrieren. Zu diesem Zweck werden Neutrinoteleskope 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“ wurden in der Praxis zuverlässig beherrscht. Die Ausnahme bildete die Schwerkraft – die schwächste und stärkste Wechselwirkung im Mikrokosmos mächtige Kraft im Makrokosmos.

Schwerkraft ist Geometrie. Gravitationswellen sind geometrische Wellen, das heißt Wellen, die die geometrischen Eigenschaften des Raums verändern, wenn sie diesen Raum durchqueren. Grob gesagt handelt es sich dabei um Wellen, die den Raum verformen. Die Dehnung ist die relative Änderung des Abstands zwischen zwei Punkten. Gravitationsstrahlung unterscheidet sich von allen anderen Strahlungsarten gerade dadurch, dass sie geometrisch ist.

– Hat Einstein Gravitationswellen vorhergesagt?

– Formal wird angenommen, dass Gravitationswellen von Einstein als eine der Folgen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurden, tatsächlich wird ihre Existenz jedoch bereits in der Speziellen Relativitätstheorie offensichtlich.

Die Relativitätstheorie legt nahe, dass aufgrund der Gravitationsanziehung ein Gravitationskollaps möglich ist, also die Kontraktion eines Objekts infolge des Kollaps, grob gesagt, bis zu einem Punkt. Dann ist die Schwerkraft so stark, dass nicht einmal Licht aus ihr entweichen kann, weshalb ein solches Objekt im übertragenen Sinne als Schwarzes Loch bezeichnet wird.

– Was ist die Besonderheit der Gravitationswechselwirkung?

Ein Merkmal der Gravitationswechselwirkung ist das Äquivalenzprinzip. Demnach hängt die dynamische Reaktion eines Testkörpers im Gravitationsfeld nicht von der Masse dieses Körpers ab. Vereinfacht gesagt fallen alle Körper mit der gleichen Beschleunigung.

Die Gravitationswechselwirkung 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 an zwei räumlich getrennten Detektoren durch und versuchte, Fälle von „Zufällen“ zu isolieren. Die Zufallstechnik ist der Kernphysik entlehnt. Die geringe statistische Signifikanz der von Weber erhaltenen Gravitationssignale führte zu einer kritischen Haltung gegenüber den Ergebnissen des Experiments: Es bestand kein Vertrauen, dass Gravitationswellen nachgewiesen wurden. Anschließend versuchten Wissenschaftler, die Empfindlichkeit von Weber-Detektoren zu erhöhen. Es dauerte 45 Jahre, einen Detektor zu entwickeln, dessen Empfindlichkeit der astrophysikalischen Vorhersage entsprach.

Zu Beginn des Experiments fanden vor der Fixierung viele weitere Experimente statt; in diesem Zeitraum wurden Impulse aufgezeichnet, deren Intensität jedoch zu gering war.

– Warum wurde die Signalfixierung nicht sofort bekannt gegeben?

– Gravitationswellen wurden bereits im September 2015 aufgezeichnet. Aber auch wenn ein Zufall aufgezeichnet wurde, muss vor der Bekanntgabe nachgewiesen werden, dass es sich nicht um einen Zufall handelt. Das von einer Antenne empfangene Signal enthält immer Rauschstöße (kurzzeitige Stöße), und einer davon kann versehentlich gleichzeitig mit einem Rauschstoß an einer anderen Antenne auftreten. Der Nachweis, dass der Zufall kein Zufall war, lässt sich nur mit Hilfe statistischer Schätzungen belegen.

– Warum sind Entdeckungen auf dem Gebiet der Gravitationswellen so wichtig?

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

Das Interessante daran ist, dass Gravitationsstrahlung schwer zu erkennen ist, da sie nur sehr schwach mit Materie interagiert. Dank derselben Eigenschaft gelangt es jedoch ohne Absorption von den von uns am weitesten entfernten Objekten mit den aus Sicht der Materie geheimnisvollsten Eigenschaften.

Wir können sagen, dass die Gravitationsstrahlung ohne Verzerrung durchgeht. Das ehrgeizigste Ziel besteht darin, die Gravitationsstrahlung zu untersuchen, die in der Urknalltheorie von der Urmaterie getrennt wurde, die bei der Entstehung des Universums entstand.

– Schließt die Entdeckung der Gravitationswellen die Quantentheorie aus?

Die Gravitationstheorie geht von der Existenz eines Gravitationskollapses aus, also der Kontraktion massiver Objekte auf einen Punkt. Gleichzeitig legt die von der Kopenhagener Schule entwickelte Quantentheorie nahe, dass es dank der Unschärferelation unmöglich ist, Parameter wie Koordinate, Geschwindigkeit und Impuls eines Körpers gleichzeitig genau anzugeben. Hier gilt ein Unsicherheitsprinzip; es ist unmöglich, die genaue Flugbahn zu bestimmen, da die Flugbahn sowohl eine Koordinate als auch eine Geschwindigkeit usw. ist. Es ist nur möglich, einen bestimmten bedingten Vertrauenskorridor innerhalb der Grenzen dieses damit verbundenen Fehlers zu bestimmen mit den Prinzipien der Unsicherheit. Die Quantentheorie leugnet kategorisch die Möglichkeit von Punktobjekten, beschreibt sie jedoch auf statistisch probabilistische Weise: Sie gibt nicht speziell Koordinaten an, sondern gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass sie bestimmte Koordinaten haben.

Die Frage der Vereinigung der Quantentheorie und der Gravitationstheorie ist eine der grundlegenden Fragen bei der Schaffung einer einheitlichen Feldtheorie.

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

– Was kann die Entdeckung in Zukunft bringen?

Gravitationswellen müssen zwangsläufig im Fundament liegen moderne Wissenschaft als einer der Bestandteile unseres Wissens. Sie sind gegeben bedeutende Rolle in der Entwicklung des Universums und mit Hilfe dieser Wellen sollte das Universum untersucht werden. Entdeckung fördert allgemeine Entwicklung Wissenschaft und Kultur.

Wenn Sie sich entscheiden, über den Rahmen der heutigen Wissenschaft hinauszugehen, können Sie sich gravitative Telekommunikationsleitungen, Jet-Geräte, die Gravitationsstrahlung nutzen, und Geräte zur Gravitationswellen-Introskopie vorstellen.

– Haben Gravitationswellen etwas mit außersinnlicher Wahrnehmung und Telepathie zu tun?

Das tun sie nicht. Die beschriebenen Effekte sind Effekte der Quantenwelt, Effekte der Optik.

Interview mit Anna Utkina

Es sieht so aus, als würden wir in den kommenden Tagen viel über Gravitationswellen sprechen. Aber warum werden sie manchmal fälschlicherweise „Gravitationswellen“ genannt? In der Welt der sozialen Medien, in der die Kürze oft an erster Stelle steht, mag es scheinen, als wäre die Abkürzung des Begriffs „Gravitationswellen“ auf „Gravitationswellen“ keine so große Sache. Darüber hinaus werden ein paar zusätzliche Zeichen für Twitter-Liebhaber eingespart!

Und Sie werden wahrscheinlich viele Schlagzeilen sehen, in denen „Gravitationswellen der Wissenschaft“ durch das Wort „Schwerkraft“ ersetzt werden, aber tappen Sie nicht in diese Falle. Obwohl beide Wörter Gewicht haben, sind Gravitationswellen und Gravitationswellen im Wesentlichen völlig unterschiedliche „Kreaturen“. Lesen Sie weiter, um herauszufinden, wie sie sich unterscheiden, und zeigen Sie beim nächsten Mal sogar Ihren Freunden im Pub Ihr Wissen über die Schwerkraft.

Gravitationswellen sind in den meisten Fällen allgemeines Verständnis, eine Art Welligkeit in Raum und Zeit. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagte ihre Existenz vor über hundert Jahren voraus und sie entstehen durch die Beschleunigung (oder eigentlich Abbremsung) massiver Objekte im Weltraum. Wenn ein Stern als Supernova explodiert, tragen Gravitationswellen die Energie der Detonation mit Lichtgeschwindigkeit weg. Wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren, verursachen sie räumliche und zeitliche Wellen, ähnlich den Wellen in einem Teich, in den ein Kieselstein geworfen wird. Wenn zwei Neutronensterne einander sehr nahe umkreisen, nennt man ihre aus dem System abgeführte Energie – Sie haben es erraten – Gravitationswellen. Wenn wir diese Wellen erkennen und beobachten könnten, wie es die neue Ära der Gravitationswellenastronomie möglicherweise könnte, dann würden wir lernen, Gravitationswellen zu erkennen und mit den Phänomenen zu arbeiten, die sie erzeugen. Beispielsweise könnte ein plötzlicher Ausbruch von Gravitationswellen darauf hinweisen, dass sie von einer Supernova-Explosion stammen, während ein kontinuierliches oszillierendes Signal auf die enge Umlaufbahn zweier Schwarzer Löcher vor ihrer Verschmelzung hinweisen könnte.

Bisher sind Gravitationswellen theoretisch, obwohl es starke indirekte Beweise gibt. Interessanterweise verformen Gravitationswellen bei ihrer Ausbreitung durch den Weltraum das „Gewebe“ des Raums physikalisch, d. h. sie ziehen den Raum zwischen zwei Objekten ganz leicht zusammen oder erweitern ihn. Der Effekt ist vernachlässigbar, aber mit einem Laserinterferometer wie dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory oder LIGO, das winzige Störungen in Lasern misst, die entlang 2,5 Kilometer langer L-förmiger Vakuumtunnel reflektiert werden, kann die Ausbreitung von Gravitationswellen auf unserem Planeten nachgewiesen werden . Im Fall von LIGO gibt es zwei Stationen auf gegenüberliegenden Seiten der USA, die fast 2000 Meilen voneinander entfernt sind. Wenn das Gravitationswellensignal real ist, wird seine Signatur an beiden Orten beobachtet; Wenn es sich um ein falsches Signal handelt (also gerade ein LKW vorbeigefahren ist), erkennt nur eine Station das Signal. Obwohl LIGO im Jahr 2002 seinen Betrieb aufnahm, konnte es noch keine Gravitationswellen entdecken. Doch im September 2015 wurde das System auf Advanced LIGO aufgerüstet und es besteht die Hoffnung, dass uns die Physiker am Donnerstag endlich gute Nachrichten überbringen werden.

Bonus: Primäre Gravitationswellen. Sie erinnern sich vielleicht an die Aufregung um die „Entdeckung“ (und anschließende Nichtentdeckung) von Gravitationswellen im schwachen ursprünglichen „Glühen“ des Urknalls, das als kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB) bekannt ist, durch BICEP2. Obwohl sich die „Entdeckung“ von BICEP2 als aussichtslos erwies, wird angenommen, dass winzige Gravitationsstörungen um die Zeit des Urknalls ihre „Eindrücke“ in dieser uralten Strahlung als einer besonderen Art polarisierten Lichts hinterlassen könnten. Wenn der Abdruck ursprünglicher Gravitationswellen (die durch den Urknall erzeugt werden) beobachtet wird, könnten einige Modelle der kosmischen Inflation und der Quantengravitation bestätigt werden.

Dies sind jedoch nicht die Gravitationswellen, nach denen LIGO sucht. LIGO (und ähnliche Observatorien) suchen nach Gravitationswellen, die durch energetische Ereignisse erzeugt werden, die derzeit in unserem modernen Universum stattfinden. Die Suche nach primären Gravitationswellen ist eine Ähnlichkeit archäologische Ausgrabungen Vergangenheit unseres Universums.

Gravitationswellen sind physikalische Störungen, die durch die wiederherstellende Schwerkraft in einer Planetenumgebung verursacht werden. Mit anderen Worten: Gravitationswellen sind nur für Planetenatmosphären und Gewässer charakteristisch. Im Fall der Atmosphäre bläst Luft über den Ozean und muss dann, wenn sie beispielsweise auf eine Insel trifft, aufsteigen. Auf der Leeseite wird die Luft durch die Schwerkraft auf eine niedrigere Höhe gedrückt, ihr Auftrieb wirkt jedoch der Schwerkraft entgegen und lässt sie wieder aufsteigen. Infolgedessen kann ein Bereich mit oszillierender Luft in der Atmosphäre häufig Wolken an den Wellenkämmen erzeugen. Beispiele für Schwerewellen sind Windwellen, Gezeiten und Tsunamis.

Somit stellt sich heraus, dass die Schwerkraft sowohl Gravitationswellen als auch Schwerewellen antreibt, sie haben jedoch sehr unterschiedliche Eigenschaften, die nicht verwechselt werden sollten.

Was bedeutet der Nachweis von Gravitationswellen für uns?

Ich denke, jeder weiß bereits, dass Wissenschaftler vor ein paar Tagen erstmals die Entdeckung von Gravitationswellen bekannt gegeben haben. Es gab viele Neuigkeiten darüber, im Fernsehen, auf Nachrichtenseiten und überall. Allerdings machte sich niemand die Mühe, es zu erklären zugängliche Sprache, was uns diese Entdeckung in praktischer Hinsicht bringt.

Eigentlich ist alles einfach, ziehen Sie einfach eine Analogie zu einem U-Boot:

Quelle:

Das Aufspüren von U-Booten ist die erste und wichtigste Aufgabe im Kampf gegen sie. Wie jedes Objekt beeinflusst auch ein Boot durch seine Präsenz Umfeld. Mit anderen Worten: Das Boot hat seine eigenen physikalischen Felder. Zu den bekannteren physikalischen Feldern eines U-Bootes gehören hydroakustische, magnetische, hydrodynamische, elektrische, niederfrequente elektromagnetische sowie thermische und optische. Den wichtigsten Erkennungsmethoden liegt die Isolierung der physikalischen Felder eines Bootes vor dem Hintergrund der Felder des Ozeans (Meeres) zugrunde.
Methoden zur Erkennung von U-Booten werden nach der Art der physikalischen Felder unterteilt: Akustik, Magnetometrie, Radar, Gas, Thermal usw.

Dasselbe gilt auch für den Weltraum. Wir betrachten die Sterne durch Teleskope, fotografieren den Mars, fangen Strahlung ein und versuchen im Allgemeinen, den Himmel auf alle möglichen Arten zu verstehen. Und nun, nachdem diese Wellen aufgezeichnet wurden, wurde eine weitere Untersuchungsmethode hinzugefügt – die Gravitation. Wir werden in der Lage sein, den Raum anhand dieser Schwingungen zu betrachten.

Das heißt, wie U-Boot Es passierte das Meer und hinterließ eine „Spur“, anhand derer es auf die gleiche Weise identifiziert werden kann Himmelskörper, kann nun aus einem anderen Blickwinkel untersucht werden, um mehr darüber zu erfahren vollständiges Bild. In Zukunft werden wir sehen können, wie sich Gravitationswellen um verschiedene Körper, Galaxien und Planeten biegen, wir werden lernen, die kosmischen Flugbahnen von Objekten besser zu berechnen (und vielleicht sogar die Annäherung von Meteoriten im Voraus zu erkennen und vorherzusagen). Sehen Sie sich das Verhalten von Wellen an Sonderkonditionen, und so weiter.

Was wird das bringen?

Es ist noch nicht klar. Aber mit der Zeit werden die Geräte genauer und empfindlicher und es wird eine Fülle von Material über Gravitationswellen gesammelt. Auf der Grundlage dieser Materialien werden neugierige Köpfe beginnen, etwas zu finden verschiedene Arten Anomalien, Geheimnisse und Muster. Diese Muster und Anomalien wiederum dienen entweder als Widerlegung oder Bestätigung alter Theorien. Zusätzlich mathematische Formeln, interessante Hypothesen (Britische Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Tauben ihren Weg nach Hause mithilfe von Gravitationswellen finden!) und vieles mehr. Und die Boulevardpresse wird mit Sicherheit einen Mythos verbreiten, etwa einen „Gravitations-Tsunami“, der eines Tages unser Sonnensystem bedecken und alle Lebewesen töten wird. Und Vanga wird noch mehr hineingezogen. Kurz gesagt, es wird Spaß machen :]

Und was ist das Ergebnis?

Als Ergebnis erhalten wir ein fortschrittlicheres Wissenschaftsgebiet, das genauere und genauere Ergebnisse liefern kann breite Vertretungüber unsere Welt. Und wenn Sie Glück haben und Wissenschaftler auf einen erstaunlichen Effekt stoßen ... (Zum Beispiel, wenn zwei Gravitationswellen auf einem Vollmond in einem bestimmten Winkel aufeinander treffen die erforderliche Geschwindigkeit, dann entsteht ein lokales Zentrum der Antigravitation, oh-pa!)... dann können wir auf ernsthafte wissenschaftliche Fortschritte hoffen.

Der offizielle Tag der Entdeckung (Nachweis) von Gravitationswellen ist der 11. Februar 2016. Dann gaben die Leiter der LIGO-Kollaboration auf einer Pressekonferenz in Washington bekannt, dass es einem Forscherteam gelungen sei, dieses Phänomen zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit aufzuzeichnen.

Prophezeiungen des großen Einstein

Die Existenz von Gravitationswellen wurde von Albert Einstein zu Beginn des letzten Jahrhunderts (1916) im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (GTR) vorgeschlagen. Man kann nur über die brillanten Fähigkeiten des berühmten Physikers staunen, der mit einem Minimum an realen Daten so weitreichende Schlussfolgerungen ziehen konnte. Neben vielen anderen vorhergesagten physikalischen Phänomenen, die im nächsten Jahrhundert bestätigt wurden (Verlangsamung des Zeitflusses, Änderung der Richtung elektromagnetischer Strahlung in Gravitationsfeldern usw.), war es nicht möglich, das Vorhandensein dieser Art von Wellenwechselwirkung praktisch nachzuweisen von Körpern bis vor kurzem.

Ist Schwerkraft eine Illusion?

Im Allgemeinen kann die Schwerkraft im Lichte der Relativitätstheorie kaum als Kraft bezeichnet werden. Störungen oder Krümmungen des Raum-Zeit-Kontinuums. Ein gutes Beispiel Als Veranschaulichung dieses Postulats kann ein gespanntes Stück Stoff dienen. Unter dem Gewicht eines massiven Gegenstandes, der auf einer solchen Oberfläche platziert wird, bildet sich eine Vertiefung. Wenn sich andere Objekte dieser Anomalie nähern, ändern sie ihre Bewegungsbahn, als würden sie „angezogen“. Und je größer das Gewicht des Objekts ist (je größer der Durchmesser und die Tiefe der Krümmung), desto höher ist die „Anziehungskraft“. Während es sich über den Stoff bewegt, kann man das Auftreten divergierender „Wellen“ beobachten.

Ähnliches passiert im Weltraum. Jede sich schnell bewegende massive Materie ist eine Quelle von Schwankungen in der Dichte von Raum und Zeit. Eine Gravitationswelle mit einer erheblichen Amplitude entsteht bei Körpern mit extrem großen Massen oder bei Bewegungen mit enormen Beschleunigungen.

Körperliche Eigenschaften

Schwankungen der Raum-Zeit-Metrik äußern sich als Veränderungen im Gravitationsfeld. Dieses Phänomen wird auch als Raum-Zeit-Welligkeit bezeichnet. Die Gravitationswelle wirkt auf die angetroffenen Körper und Objekte ein und komprimiert und dehnt sie. Das Ausmaß der Verformung ist sehr unbedeutend – etwa 10 –21 der ursprünglichen Größe. Die ganze Schwierigkeit bei der Entdeckung dieses Phänomens bestand darin, dass die Forscher lernen mussten, wie man solche Veränderungen mit geeigneter Ausrüstung misst und aufzeichnet. Auch die Kraft der Gravitationsstrahlung ist äußerst gering – für alle Sonnensystem sie beträgt mehrere Kilowatt.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen hängt geringfügig von den Eigenschaften des leitenden Mediums ab. Die Amplitude der Schwingungen nimmt mit der Entfernung von der Quelle allmählich ab, erreicht jedoch nie Null. Die Frequenz reicht von mehreren zehn bis hunderten Hertz. Die Geschwindigkeit der Gravitationswellen im interstellaren Medium nähert sich der Lichtgeschwindigkeit.

Indizienbeweise

Die erste theoretische Bestätigung der Existenz von Gravitationswellen gelang 1974 dem amerikanischen Astronomen Joseph Taylor und seinem Assistenten Russell Hulse. Bei der Untersuchung der Weiten des Universums mit dem Radioteleskop des Arecibo-Observatoriums (Puerto Rico) entdeckten Forscher den Pulsar PSR B1913+16, ein binäres System von Neutronensternen, die mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt rotieren (ein eher seltenes Phänomen). Fall). Jedes Jahr verkürzt sich die Umlaufzeit von ursprünglich 3,75 Stunden um 70 ms. Dieser Wert stimmt voll und ganz mit den Schlussfolgerungen aus den allgemeinen Relativitätsgleichungen überein, die eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit solcher Systeme aufgrund des Energieaufwands für die Erzeugung von Gravitationswellen vorhersagen. Anschließend wurden mehrere Doppelpulsare und Weiße Zwerge mit ähnlichem Verhalten entdeckt. Die Radioastronomen D. Taylor und R. Hulse wurden mit dem Preis ausgezeichnet Nobelpreis in der Physik für die Entdeckung neuer Möglichkeiten zur Untersuchung von Gravitationsfeldern.

Entkommende Gravitationswelle

Die erste Ankündigung zur Entdeckung von Gravitationswellen kam 1969 vom Wissenschaftler der University of Maryland, Joseph Weber (USA). Zu diesem Zweck nutzte er zwei von ihm selbst entworfene Gravitationsantennen, die im Abstand von zwei Kilometern voneinander entfernt waren. Der Resonanzdetektor war ein gut vibrationsisolierter, massiver, zwei Meter langer Aluminiumzylinder, der mit empfindlichen piezoelektrischen Sensoren ausgestattet war. Die Amplitude der angeblich von Weber aufgezeichneten Schwingungen war mehr als eine Million Mal höher als der erwartete Wert. Versuche anderer Wissenschaftler, den „Erfolg“ des amerikanischen Physikers mit ähnlichen Geräten zu wiederholen, brachten keine positiven Ergebnisse. Einige Jahre später wurden Webers Arbeiten auf diesem Gebiet als unhaltbar anerkannt, gaben jedoch den Anstoß zur Entwicklung des „Gravitationsbooms“, der viele Spezialisten für dieses Forschungsgebiet anzog. Übrigens war sich Joseph Weber selbst bis an sein Lebensende sicher, dass er Gravitationswellen empfing.

Verbesserung der Empfangsausrüstung

In den 70er Jahren entwickelte der Wissenschaftler Bill Fairbank (USA) das Design einer Gravitationswellenantenne, die mit SQUIDS – hochempfindlichen Magnetometern – gekühlt wird. Die damals vorhandenen Technologien ermöglichten es dem Erfinder nicht, sein Produkt in „Metall“ umzusetzen.

Der Auriga-Gravitationsdetektor am National Legnara Laboratory (Padua, Italien) basiert auf diesem Prinzip. Die Konstruktion basiert auf einem Aluminium-Magnesium-Zylinder mit einer Länge von 3 Metern und einem Durchmesser von 0,6 Metern. Das 2,3 Tonnen schwere Empfangsgerät hängt in einer isolierten Vakuumkammer, die nahezu auf den absoluten Nullpunkt gekühlt ist. Zur Erfassung und Erkennung von Stößen werden ein Hilfs-Kilogramm-Resonator und ein computergestützter Messkomplex eingesetzt. Die angegebene Empfindlichkeit des Geräts beträgt 10 -20.

Interferometer

Der Betrieb von Interferenzdetektoren für Gravitationswellen basiert auf den gleichen Prinzipien wie das Michelson-Interferometer. Der von der Quelle emittierte Laserstrahl wird in zwei Strahlen aufgeteilt. Nach mehreren Reflexionen und Wanderungen entlang der Arme des Geräts werden die Ströme wieder zusammengeführt und anhand der letzten Reflexion beurteilt, ob Störungen (z. B. eine Gravitationswelle) den Verlauf der Strahlen beeinflusst haben. Ähnliche Geräte wurden in vielen Ländern hergestellt:

• GEO 600 (Hannover, Deutschland). Die Länge der Vakuumtunnel beträgt 600 Meter.
• TAMA (Japan) mit Schultern von 300 m.
• VIRGO (Pisa, Italien) ist ein 2007 gestartetes französisch-italienisches Gemeinschaftsprojekt mit drei Kilometern Tunneln.
• LIGO (USA, Pazifikküste), das seit 2002 auf der Suche nach Gravitationswellen ist.

Letzteres ist eine genauere Betrachtung wert.

LIGO Advanced

Das Projekt entstand auf Initiative von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology und des California Institute of Technology. Es umfasst zwei dreitausend Kilometer voneinander entfernte Observatorien in Washington (den Städten Livingston und Hanford) mit drei identischen Interferometern. Die Länge senkrechter Vakuumtunnel beträgt 4.000 Meter. Dies sind die größten derartigen Bauwerke, die derzeit in Betrieb sind. Bis 2011 brachten zahlreiche Versuche, Gravitationswellen nachzuweisen, keine Ergebnisse. Die durchgeführte bedeutende Modernisierung (Advanced LIGO) erhöhte die Empfindlichkeit der Geräte im Bereich von 300-500 Hz um mehr als das Fünffache und im Niederfrequenzbereich (bis 60 Hz) um fast eine Größenordnung der begehrte Wert von 10 -21. Aktualisiertes Projekt begann im September 2015 und die Bemühungen von mehr als tausend Mitarbeitern der Zusammenarbeit wurden mit den erzielten Ergebnissen belohnt.

Gravitationswellen entdeckt

Am 14. September 2015 zeichneten fortschrittliche LIGO-Detektoren im Abstand von 7 ms Gravitationswellen auf, die unseren Planeten vom größten Phänomen erreichten, das am Rande des beobachtbaren Universums auftrat – der Verschmelzung zweier großer Schwarzer Löcher mit der 29- und 36-fachen Masse größer als die Masse der Sonne. Bei dem Prozess, der vor mehr als 1,3 Milliarden Jahren stattfand, wurden durch die Aussendung von Gravitationswellen innerhalb von Sekundenbruchteilen etwa drei Sonnenmassen an Materie verbraucht. Die aufgezeichnete Anfangsfrequenz der Gravitationswellen betrug 35 Hz und der maximale Spitzenwert erreichte 250 Hz.

Die gewonnenen Ergebnisse wurden mehrfach einer umfassenden Verifizierung und Aufbereitung unterzogen und alternative Interpretationen der gewonnenen Daten sorgfältig ausgeschlossen. Letztes Jahr wurde der Weltgemeinschaft schließlich die direkte Registrierung des von Einstein vorhergesagten Phänomens bekannt gegeben.

Eine Tatsache, die die gigantische Arbeit der Forscher verdeutlicht: Die Amplitude der Schwankungen in der Größe der Interferometerarme betrug 10 -19 m – dieser Wert ist genauso oft kleiner als der Durchmesser eines Atoms, da das Atom selbst kleiner als ein Atom ist orange.

Zukunftsaussichten

Diese Entdeckung bestätigt dies erneut Allgemeine Theorie Relativität ist nicht nur eine Reihe abstrakter Formeln, sondern grundlegend neuer Looküber das Wesen von Gravitationswellen und der Schwerkraft im Allgemeinen.

In weiteren Forschungen Wissenschaftler große Hoffnungen sind dem ELSA-Projekt zugeordnet: die Schaffung eines riesigen Orbitalinterferometers mit Armen von etwa 5 Millionen km, das in der Lage ist, selbst geringfügige Störungen von Gravitationsfeldern zu erkennen. Die Aktivierung der Arbeit in dieser Richtung kann viel Neues über die Hauptstadien der Entwicklung des Universums erzählen, über Prozesse, die in traditionellen Bereichen nur schwer oder gar nicht zu beobachten sind. Es besteht kein Zweifel daran, dass Schwarze Löcher, deren Gravitationswellen in Zukunft entdeckt werden, viel über ihre Natur verraten werden.

Um die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu untersuchen, die uns etwas über die ersten Momente unserer Welt nach dem Urknall verraten kann, werden empfindlichere Weltrauminstrumente benötigt. Ein solches Projekt existiert ( Urknallbeobachter), aber seine Umsetzung ist Experten zufolge frühestens in 30-40 Jahren möglich.