[Перевод] Можно ли извлечь энергию из гравитационных волн?
Зеркала с покрытием и охлаждением в передовом эксперименте LIGO, показанные здесь, реагируют на каждый фотон, который попадает на них. Обнаружение гравитационной волны зависит от изменения положения зеркала и последующего изменения длины пути фотона, которое оно испытывает при прохождении через него гравитационной волны. Лаборатория Caltech/MIT/LIGO
Когда какие-либо два объекта во Вселенной взаимодействуют в одном и том же месте пространства-времени, одно утверждение всегда остаётся верным: это взаимодействие происходит с сохранением энергии. Но что, если один из этих объектов — сущность, порождённая самой тканью пространства-времени, например пульсация, известная также как гравитационная волна? Когда гравитационная волна взаимодействует с материей, энергией или сложным устройством вроде детектора гравитационных волн, может ли сама волна передавать энергию тому, с чем она взаимодействует? Это увлекательная мысль, и она вдохновила читателя задать следующий вопрос:
Когда мы обнаруживаем электромагнитную волну (будь то радиоантенна, глаз или сенсор камеры), мы извлекаем из неё энергию. Происходит ли то же самое с гравитационными волнами?
Должны извлекать. И вот почему.
Этот график энергии фотонов в зависимости от энергии электрона, связанного в атоме цинка, показывает, что ниже определённой частоты (или энергии) фотоны не вылетают из атома цинка. Однако выше определённого энергетического порога (при достаточно коротких длинах волн) фотоны всегда выбрасывают электроны. При дальнейшем увеличении энергии фотонов электроны выбрасываются с возрастающей скоростью. Пользователь Wikimedia Commons Клаус-Дитер Келлер, создано с помощью Inkscape
Вопрос может показаться нелогичным, потому что мы постоянно используем этот термин, но что на самом деле означает «энергия»? Есть много способов определить её, но физику всегда интересует количественное значение терминов: «что она делает» и «на сколько» — вот ответы, которые, как мы надеемся, даст хорошее определение. Для энергии наиболее распространёнными являются следующие:
энергия — это то, чьё количество поступления или выхода из системы в течение определённого времени измеряется мощностью;
энергия — это способность совершать работу (прикладывать силу, которая толкает объект на определённое расстояние в направлении действия силы);
энергия — это то, что требуется для того, чтобы вызвать изменения в движении или конфигурации системы.
Она бывает разной — потенциальной (запасённой), кинетической (движения), химической (электронных связей), ядерной (высвобождаемой из атомных ядер) и т. д., —, но она универсальна для всех форм материи и излучения.
Переходы электронов в атоме водорода, а также длины волн получаемых фотонов демонстрируют эффект энергии связи и взаимосвязь между электроном и протоном в квантовой физике. Самый сильный переход водорода — Лайман-альфа (от n=2 до n=1), но второй по силе — видимый: Бальмер-альфа (от n=3 до n=2). Пользователи Wikimedia Commons Szdori и OrangeDog
Относительно просто принять, что энергия переносится электромагнитными волнами, , поскольку это, пожалуй, самая хорошо изученная форма излучения, о которой мы знаем. Электромагнитные волны, от гамма-лучей до видимого света и радиочастот, не только взаимодействуют с веществом и передают энергию, но и делают это в виде отдельных пакетов энергии: квантов, а именно — фотонов.
С помощью современных технологий мы постоянно извлекаем и измеряем энергию отдельных фотонов. Сам Эйнштейн впервые провёл критический эксперимент, показав, что даже крошечное количество ультрафиолетового света может выбить электроны из проводящего металла, но более длинноволновый свет, независимо от его интенсивности, не выбивает эти электроны вообще. Свет квантовался в маленькие пакеты энергии, и эта энергия могла передаваться материи и преобразовываться в другие формы энергии.
Фотоэлектрический эффект описывает, как электроны могут ионизироваться фотонами, в зависимости от длин волн отдельных фотонов, а не от интенсивности света, общей его энергии или любого другого свойства. Если квант света обладает достаточной энергией, он может взаимодействовать с электроном и ионизировать его, выбивая его из материала и порождая обнаруживаемый сигнал. Wolfmankurd / Wikimedia Commons
Сегодня мы признаём, что свет — это и электромагнитная волна, и серия частиц (фотонов), и что в обоих случаях он несёт в себе одинаковое количество энергии. Это помогает нам понять, как повседневные явления происходят в контексте энергии.
Когда видимый свет попадает на сетчатку глаза и стимулирует палочки и колбочки, электроны в молекулах клеток переходят в другую конфигурацию, в результате чего стимулируются определённые нервы и в мозг поступает сигнал (зрительный), на основе которого мозг интерпретирует увиденное.
Когда радиоволна проходит мимо или через антенну, электрические поля, создаваемые волной, заставляют электроны внутри двигаться, передавая энергию в антенну и обеспечивая создание электрического сигнала.
Когда свет попадает в цифровую камеру, фотоны ударяются о различные пиксели и стимулируют электронные компоненты внутри, передавая им энергию, что приводит к регистрации сигнала — от камеры вашего телефона до камеры на космическом телескопе «Хаббл».
ПЗС-матрицы большой площади невероятно полезны для сбора и обнаружения света, а также для максимального использования каждого отдельного фотона, который поступает. Взаимодействие между отдельными фотонами и электронами в матрице — это то, что вызывает электронный сигнал в детекторе. Large Area Imager for Calar Alto (LAICA) / J.W. Fried
Если так работают электромагнитные волны, то как насчёт гравитационных волн? Между ними есть некоторое сходство, поскольку и те и другие генерируются, когда заряженная (либо электрически заряженная, либо массивная, то есть «гравитационно заряженная») частица движется через изменяющееся поле (либо электромагнитное, либо гравитационное, то есть искривлённое пространство). Электроны в ускорителе частиц генерируют свет; чёрные дыры, вращающиеся друг вокруг друга, генерируют гравитационные волны.
Но могут быть и различия. Электромагнитные волны демонстрируют квантовое поведение, поскольку энергия этих волн квантуется в отдельные фотоны, из которых состоит свет. Гравитационные волны могут проявлять квантовое поведение, и эти волны могут квантоваться в отдельные частицы (гравитоны), составляющие эти волны, но у нас нет доказательств такой картины и нет практического способа проверить её.
Гравитационные волны распространяются в одном направлении, попеременно расширяя и сжимая пространство во взаимно перпендикулярных направлениях, определяемых поляризацией гравитационной волны. Сами гравитационные волны, согласно квантовой теории гравитации, должны состоять из отдельных квантов гравитационного поля — гравитонов. Хотя гравитационные волны могут равномерно распространяться в пространстве, ключевой величиной для детекторов является амплитуда (которая равна 1/r), а не энергия (которая равна 1/r^2). М. Пёссель/Эйнштейн Онлайн
Но один вывод, который должен быть верным — независимо от того, является ли гравитация по своей сути квантовой силой или общая теория относительности Эйнштейна по-настоящему фундаментальна, — заключается в том, что эти гравитационные волны должны нести энергию. Это не тривиальный вывод, но есть три доказательства, которые привели нас к нему: одно теоретическое достижение, один класс косвенных измерений и один тип прямых измерений, которые закрыли все оставшиеся лазейки.
Помните, что, хотя они были предсказаны ещё в середине 1910-х годов, никто не знал, являются ли гравитационные волны физически реальными или это просто математические предсказания 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, известная теперь как GR1. И Ричард Фейнман, один из великих пионеров квантовой теории поля, придумал то, что сейчас известно как «аргумент липкой бусинки».
Фейнман утверждал, что гравитационные волны будут перемещать массу вдоль стержня, так же как электромагнитные волны перемещают заряды вдоль антенны. Это движение вызовет нагрев из-за трения, демонстрируя, что гравитационные волны несут энергию. Принцип аргумента
Представьте, что у вас есть тонкий стержень (или два тонких стержня, взаимно перпендикулярных) с двумя бусинами на обоих концах стержня. Одна бусина закреплена на стержне и не может скользить, а другая может свободно перемещаться относительно стержня. Если гравитационная волна пройдёт перпендикулярно ориентации стержня, расстояние между бусинами изменится, поскольку пространство растягивается и сжимается под действием гравитационной волны.
Но теперь давайте вспомним про трение. В реальности два макроскопических объекта, находящиеся в физическом контакте друг с другом, будут испытывать столкновения и взаимодействия — по крайней мере, между своими электронными облаками, —, а это значит, что система бусина-стержень будет нагреваться по мере движения бусины вдоль стержня. Это тепло — одна из форм энергии, а энергия должна откуда-то взяться, и единственным очевидным виновником этого являются гравитационные волны. Гравитационные волны не только несут в себе энергию, но и могут передавать её в системы, состоящие из обычной, повседневной материи.
Когда гравитационная волна проходит через какую-либо точку пространства, она вызывает расширение и сжатие в разные моменты времени в разных направлениях, что приводит к изменению длины плеча лазера во взаимно перпендикулярных направлениях. Используя эти физические изменения, мы разработали успешные детекторы гравитационных волн, такие как LIGO и Virgo. ESA-C.Carreau
Следующий скачок вперёд произошёл благодаря наблюдению бинарных пульсаров: двух нейтронных звёзд, которые не только вращаются друг вокруг друга, но и при каждом вращении излучают радиоимпульсы, которые мы можем успешно наблюдать здесь, на Земле. Измеряя свойства этих импульсов во времени, мы можем восстановить орбиты этих нейтронных звёзд и то, как эти орбиты меняются с течением времени.
Примечательно, что мы обнаружили, что орбиты распадаются, так, будто что-то уносит их орбитальную энергию. Расчёты из общей теории относительности (сплошная линия, ниже) и наблюдения (точки данных, ниже) подтвердили явные количественные предсказания энергии, уносимой гравитационными волнами. Конкретные предсказания того, сколько энергии они уносят от источника, были подтверждены сначала одной, а теперь и многими орбитальными бинарными системами.
С момента обнаружения первой бинарной системы нейтронных звёзд мы знали, что гравитационное излучение уносит энергию. Это был лишь вопрос времени, когда мы найдём систему, находящуюся на последних стадиях сближения и слияния. НАСА (L), Институт радиоастрономии Макса Планка / Майкл Крамер
Но оставался ещё один шаг, который необходимо было проверить: как насчёт передачи энергии от гравитационных волн к материи? Это ключевой шаг, который должен произойти, чтобы детекторы гравитационных волн — такие, как LIGO Национального научного фонда — заработали. На расстоянии миллиарда световых лет две чёрные дыры массой 36 и 29 солнечных масс слились, преобразовав массу примерно трёх Солнц в чистую энергию.
К тому времени, когда эти волны достигли Земли, они распределились так, что на всю планету обрушилось всего 36 миллионов Дж энергии: примерно столько же, сколько Манхэттен получает днём от солнечного света за 0,7 секунды. Зеркала в детекторах LIGO сдвинулись относительно друг друга менее чем на тысячную долю ширины протона, что изменило траекторию света и совсем немного изменило энергию фотонов. В каждый детектор попало менее микроджоуля. И всё же этого оказалось достаточно, чтобы добиться надёжного обнаружения не только в первый раз, но и уже более чем в 50 независимых случаях.
Когда у двух плеч абсолютно одинаковая длина, и гравитационная волна не проходит через них, тогда сигнал будет равен нулю, а интерференционная картина останется постоянной. При изменении длины плеч сигнал появляется и осциллирует, а интерференционная картина меняется со временем предсказуемым образом.
Единственный способ напрямую обнаружить гравитационную волну — да и вообще любой сигнал — это физически воздействовать на систему, созданную для её измерения. Но все наши системы обнаружения состоят из материи, и вызвать физическое изменение в этой системе равносильно изменению её конфигурации: для этого требуется приток внешней энергии. Независимо от метода, обнаружение всегда требует затраты энергии.
Для того чтобы детекторы гравитационных волн работали, необходимо, чтобы были верны три вещи. Гравитационные волны должны нести энергию, этой энергии должно быть достаточно, чтобы она могла повлиять на детектор к моменту прибытия на Землю, и нам нужно было построить достаточно умный детектор, чтобы извлечь эту энергию и превратить её в наблюдаемый сигнал. Примечательно, что от первого зарождения идеи до непосредственного обнаружения человечеству потребовалось всего столетие.
