Всякий раз, когда любые две вещи во Вселенной взаимодействуют в одном и том же месте в пространстве-времени, в этом взаимодействии одно всегда остается неизменным: оно сохраняет энергию. Но что, если одна из этих вещей является сущностью, присущей ткани самого пространства-времени, подобно ряби, также известной как гравитационная волна? Когда гравитационная волна взаимодействует с веществом, энергией или сложным устройством, таким как детектор гравитационной волны, может ли сама волна переносить энергию во все, с чем она взаимодействует? Это увлекательная мысль, и она вдохновила Павла Зузельского задать следующий вопрос:
Когда мы обнаруживаем электромагнитную волну (будь то радиоантенна, глаз или датчик камеры), мы извлекаем из волны энергию. Происходит ли то же самое с гравитационными волнами?
Это должно быть так. И вот почему.
Это может показаться нелогичным, потому что мы используем этот термин постоянно, но что на самом деле означает «энергия»? Есть много способов определить ее, но физика всегда интересуется количественным значением терминов: «что она делает» и «насколько» - это ответы, которые, как мы надеемся, дадут хорошее определение. Что касается энергии, некоторые из наиболее распространенных определений:
- энергия - это количество мощности, которое входит или выходит из системы в течение определенного периода времени;
- энергия - это способность выполнять работу (вызывать силу, которая толкает объект на определенное расстояние в направлении силы), или;
- энергия - это то, что требуется, чтобы вызвать изменения в движении или конфигурации системы.
Она бывает разных видов - потенциальная (накопленная), кинетическая (движения), химическая (электронных связей), ядерная (высвобождается из атомных ядер) и т. д., но она универсальна для всех форм материи и излучения.
Относительно просто предположить, что энергия переносится электромагнитными волнами, поскольку это, пожалуй, самая понятная форма излучения, которую мы знаем. Электромагнитные волны, от гамма-лучей до видимого света, на всем протяжении радио части спектра, не только взаимодействуют с веществом и передают энергию, но и делают это в форме отдельных энергетических пакетов: квантов, в форме фотона.
Мы постоянно извлекаем и измеряем энергию отдельных фотонов с помощью современных технологий. Именно Эйнштейн впервые провел критический эксперимент, показав, что даже небольшое количество ультрафиолетового света может выбить электроны из проводящего металла, но свет с большей длиной волны, независимо от того, насколько он интенсивен, не будет выбивать эти электроны. Свет был квантован в маленькие пакеты энергии, и эта энергия могла быть передана материи и преобразована в другие формы энергии.
Сегодня мы признаем, что свет - это и электромагнитная волна, и поток частиц (фотонов), и что в обеих картинах он несет одинаковое количество энергии. Это помогает нам понять, как повседневные явления происходят в контексте энергии.
- Когда видимый свет попадает на вашу сетчатку и стимулирует ваши палочки и колбочки, электроны в молекулах ваших клеток переходят в другую конфигурацию, в результате чего стимулируются определенные нервы и посылается (визуальный) сигнал в ваш мозг, который интерпретирует то, что вы видите.
- Когда радиоволна проходит мимо или через антенну, электрические поля от волны заставляют движущиеся внутри электроны перемещать энергию в антенну и создавать электрический сигнал.
- Когда свет попадает в цифровую камеру, фотоны попадают в различные пиксели и стимулируют электронные компоненты внутри, передавая энергию в них, приводя к регистрации сигнала на камере вашего телефона или камере на космическом телескопе Хаббла.
Но если так работают электромагнитные волны, то как насчет гравитационных волн? Между ними есть некоторое сходство, так как они генерируются, когда заряженная частица (электрически заряженная или массивная, т.е. «гравитационно заряженная») движется через изменяющееся поле (либо электромагнитное поле, либо гравитационное поле, то есть искривленное пространство). Электроны в ускорителе частиц генерируют свет; черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга, генерируют гравитационные волны.
Но могут быть и различия. Электромагнитные волны обладают квантовым поведением, поскольку энергия этих волн квантуется на отдельные фотоны, составляющие этот свет. Гравитационные волны также могут проявлять квантовое поведение, и эти волны, наверное, могут быть квантованы в отдельные частицы (гравитоны), составляющие эти волны, но у нас нет никаких доказательств этой картины и никакого практического способа проверить ее.
Но одна вещь, которая должна быть правдой, независимо о того, является ли гравитация по своей сути квантовой силой или общая относительность Эйнштейна настолько фундаментальна, насколько это возможно, гравитационные волны должны нести энергию. Это не тривиальный вывод, но есть три доказательства, которые привели нас сюда: одно, которое было теоретическим, одно косвенное измерение и одно прямое измерение, которое закрыло все оставшиеся лазейки.
Хотя они были предсказаны еще в середине 1910-х годов, никто не знал, были ли гравитационные волны физически реальными или они были просто математическими предсказаниями без физического аналога. Были ли эти волны реальными и могли ли они передавать энергию в реальные, измеримые частицы? В 1957 году состоялась первая американская конференция по общей теории относительности, теперь известная как GR1. А Ричард Фейнман, один из великих пионеров квантовой теории поля, придумал то, что сейчас известно как «спор о липких шариках».
Представьте, что у вас есть тонкий стержень (или два тонких стержня, которые взаимно перпендикулярны) с двумя шариками на каждом конце стержня. Одна бусина закреплена на стержне и не может скользить, но другая может свободно перемещаться относительно стержня. Если гравитационная волна проходит через перпендикуляр к ориентации стержня, расстояние между шариками изменится, поскольку пространство растягивается и сжимается из-за гравитационной волны.
Но теперь давайте представим кое-что еще: трение. Реально, два макроскопических объекта в физическом контакте друг с другом будут испытывать столкновения и взаимодействия - по крайней мере, между их электронными облаками - это означает, что система стержней будет нагреваться по мере движения шарика вдоль стержня. Это тепло является формой энергии, и энергия должна приходить откуда-то, а единственным идентифицируемым ее источником являются сами гравитационные волны. Мало того, что гравитационные волны несут энергию, но эта энергия может быть передана в системы, сделанные из обычной материи.
Следующий шаг вперед произошел из наблюдения двойных пульсаров: двух нейтронных звезд, которые не только вращаются вокруг друг друга, но и они излучают радиоимпульсы с каждым оборотом, которые мы можем успешно наблюдать здесь, на Земле. Измеряя свойства этих импульсов во времени, мы можем узнать, каковы орбиты этих нейтронных звезд и как эти орбиты изменяются со временем.
Примечательно, что мы обнаружили, что орбиты сужаются, как будто что-то уносит орбитальную энергию пульсаров. Расчеты по общей теории относительности (сплошная линия, внизу) и наблюдения (точки данных, ниже) совпадают, что подтверждает количественные прогнозы для энергии, унесенной гравитационными волнами.
Но остался еще один шаг, который нужно проверить: как насчет передачи энергии от гравитационных волн в вещество? Это было бы ключевым шагом для работы детекторов гравитационных волн, таких как LIGO. На расстоянии миллиард световых лет от нас две черные дыры с 36 и 29 солнечными массами слились, превратив массу около трех масс Солнца в чистую энергию.
К тому времени, когда эти волны достигли Земли, они рассеялись так, что на всю планету воздействовали всего 36 миллионов Дж энергии: примерно столько же энергии, сколько Манхэттен получает от солнечного света на 0,7 секунды. Зеркала в детекторах LIGO были перемещены менее чем на одну тысячную ширины протона, изменив пути света и энергию фотона очень незначительно. В каждом детекторе было оставлено меньше микроджоуля. И все же этого было достаточно, чтобы обеспечить надежное обнаружение для более чем 50 независимых случаев.
Единственный способ, которым вы когда-либо сможете непосредственно обнаружить гравитационную волну, или любой другой сигнал, оказывать физическое воздействие на систему, которую вы настроили для ее измерения. Но все наши системы обнаружения сделаны из материи, и физическое изменение этой системы равносильно изменению ее конфигурации: то, что требует ввода внешней энергии. Независимо от метода, обнаружение всегда требует затрат энергии.
Для того чтобы детекторы гравитационных волн работали, три вещи должны были быть истинными. Гравитационные волны должны были нести энергию, эта энергия должна была генерироваться в достаточных количествах, чтобы она могла воздействовать на детектор к тому времени, когда она прибыла на Землю, и нам нужно было создать достаточно умный детектор, чтобы извлечь эту энергию и превратить ее в наблюдаемый сигнал. , Примечательно, что от первого появления идеи до непосредственного обнаружения человечеству потребовалось всего столетие.
Оригинал: Ask Ethan: Can We Extract Energy From Gravitational Waves?
