اسأل إيثان رقم 74: موجات الجاذبية

الضوء والصوت هي الأمواج التي نعرفها. لكن الموجات هي أيضًا جاذبية.


وبالتالي ، فإن الفضاء في حد ذاته والوقت في حد ذاته مقدر له أن يختفي في الظل ، وسيبقى اتحاد الاثنين فقط في دور الواقع المستقل.
- مينكوفسكي الألمانية


عندما اقترح أينشتاين نظريته النسبية العامة ، لم يصدم أسس الفيزياء فحسب ، بل دمرها بالكامل من أجل بناء أسس جديدة. بدلاً من المادة الموجودة في نقاط الفضاء ولحظات الزمان ، اقترحت أن يكون للمكان والزمان أبعادهما الخاصة في البنية رباعية الأبعاد للزمكان ، ويتغير هذا الهيكل بسبب وجود وتفاعل جميع المواد والطاقة فيه. تم تأكيد حقيقتها من خلال العديد من تنبؤاتها الناجحة والمذهلة ، من الانزياح الأحمر الثقالي إلى انحناء ضوء النجوم بسبب وجود المادة.



السؤال الذي اخترته اليوم من الأسئلة التي أرسلتها هو الأقصر في تاريخ مقالاتنا ، وينتمي إلى آدم رابانج ، الذي يسأل:
عزيزي إيثان ،
ما هي موجات الجاذبية؟
شكرا لك
آدم.


لنبدأ بمناقشة نوع آخر من الموجات التي قد تكون على دراية بها: موجات الماء.



يمكنك البدء بمياه هادئة ومسطحة تمامًا. يبقى سطح الماء هادئا ولم يمسه قوى خارجية. ماذا يحدث إذا وضعت حشرة ، على سبيل المثال ، حشرة على السطح؟



إنه يشوه السطح قليلاً ، لأن جاذبية الحشرة تمارس قوة على السطح ، مما يؤدي إلى انحناءها. إذا قمنا بشيء أقل عطاءًا ، على سبيل المثال ، أسقط شيئًا من ارتفاع كبير على سطح الماء - ماذا سنرى؟

youtu.be/QQ37RLXNAgc

سنرى تموجًا مألوفًا نربطه بموجات الماء. لقد أزعجنا سطح الماء ، وانتشرت الطاقة للخارج بسرعة معينة ، اعتمادًا على خصائص الوسط (الماء) الذي تنتقل عبره الموجة.

إذا بدأنا في التفكير في موجات الضوء ، سيظل كل شيء على حاله ، على الرغم من أنه سيصبح أقل بديهية.



يمكن أيضًا تخيل الضوء على أنه تموجات تنتشر في الزمكان. لديه طاقة معينة ، اعتمادًا على التردد / الطول الموجي ، وسرعة الانتشار ، وسرعة الضوء في بيئة معينة ، ويتحرك في اتجاه معين ، يحدده الظروف التي نشأ فيها ، ثم يتبع المسار الذي يحدده انحناء الزمكان.



ولكن كيف يخلق الضوء؟ كيف يظهر الفوتون الحقيقي؟ إحدى الطرق هي تفاعل الجسيمات (أو الجسيمات المضادة) مع بعضها البعض: هناك احتمال محدود بأن أي جسيمين متفاعلين سوف ينتجان فوتونًا واحدًا على الأقل.




هناك طريقة أخرى أكثر إثارة للاهتمام ، تأتي من تأثير ليس له نظير في الموجات الكلاسيكية: عندما يتحرك جسيم مشحون في وجود مجال مغناطيسي.



نعم ، المجال المغناطيسي يجبر الجسيم على تغيير اتجاهه: فهو يعمل على قوة لورنتز. ولكن عندما يتحرك الجسيم في مجال مغناطيسي ، فإنه يصدر أيضًا إشعاعًا على شكل فوتونات: إشعاع سيكلوترون عند طاقات / سرعات / حقول منخفضة ، أو إشعاع السنكروترون في ظروف أكثر نسبية.

لا يظهر هذا النوع من الإشعاع فقط في التجارب على الأرض ، ولكن أيضًا في المختبر الطبيعي للكون - على سبيل المثال ، في نفاثات العملاق والأضخم من أقرب المجرات ، ميسيير 87.



وهكذا وصلنا إلى الجاذبية. للكهرباء نوعان من الشحنات - إيجابية وسلبية - وللجاذبية نوعان: الكتلة ، أو الطاقة بشكل أدق. في حين أن المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية تؤثر على الجسيمات المشحونة ، فإن الجاذبية لها نوع واحد فقط من المجال: انحناء الفضاء.

ولكن مع الجاذبية في الكون ، فإن الوضع هو نفسه كما هو الحال مع الكهرومغناطيسية: لدينا جسيمات مشحونة بالجاذبية تتحرك في مجالات الجاذبية.



على الرغم من اختلاف القوانين الفيزيائية في بعض التفاصيل ، إلا أن التأثير هو نفسه: الإشعاع. في حالتنا ، هذا ليس إشعاعًا كهرومغناطيسيًا ، بل جاذبية! تموجات تسير بسرعة الضوء عبر نسيج الزمكان ، وتحمل الطاقة.



يزداد التأثير في حالة الكتل المتسارعة بسرعة في تغيير مجالات الجاذبية ، على سبيل المثال ، عندما يتحد نجم نيوتروني مع آخر ، أو يكون في مدار صغير ومتناقص مع جسم آخر خلفه النجم.

تظهر موجات الجاذبية (أو إشعاع الجاذبية) نفسها من خلال هذا التموج في الزمكان ، وتؤدي إلى تشوهات محددة بدقة في حجم واتجاه أي مادة و / أو إشعاع كهرومغناطيسي مصادفة في الطريق.

الصورة
الصورة

من الناحية النظرية ، يمكن الكشف عن هذه الموجات مباشرة من خلال مقياس التداخل بقاعدة طويلة ، وهي الآن تعمل على عمليات البحث هذه في مشاريع مختلفة ، بما في ذلك تعاون LIGO. [بعد عام واحد بالضبط من كتابة هذا المقال ، اكتشف ليجو موجات الجاذبية - ترجمة تقريبًا.]
إذا حدثت معجزة ، فسيطلقون هوائيًا فضائيًا من مقاييس التداخل بالليزر ، أو LISA ، وهو مضمون للكشف عن هذا التأثير. لأن ليزا ستبحث عنه في النطاق الذي يجب أن يحدث فيه عدد كبير من الأحداث!



لدينا بالفعل أدلة غير مباشرة على وجود موجات الجاذبية ، حيث أننا نلاحظ الانخفاض المتوقع في مدارات النجوم النابضة على مر السنين - وهي الملاحظة التي تتزامن مع توقع الموارد الوراثية. من ناحية أخرى ، تتوقع GTR أيضًا أن المدارات يجب أن تتلاشى بسبب انبعاث موجات الجاذبية. إذا تمكنوا من اكتشافهم مباشرة ، فسيكون ذلك تأكيدًا على أحد آخر التوقعات الأساسية لواحدة من أعظم النظريات الفيزيائية.



إذن ما هي موجات الجاذبية؟ هذا هو شكل جديد من الإشعاع - إشعاع الجاذبية - المنبعث من الجسيمات الضخمة أو التي تنقل الطاقة التي تسافر في مجالات الجاذبية. إذا تسارع الجسيم أو تغير مجال الجاذبية ، تزداد شدة الإشعاع ، وبمرور الوقت تزيل الطاقة بسرعة الضوء ، ونتيجة لذلك تموت المدارات ، ومن الممكن أيضًا اكتشاف هذه الموجات. مع النهج الصحيح ، يمكننا الحصول على نوع جديد من علم الفلك - علم الفلك الثقالي - التكنولوجيا لهذا موجودة بالفعل!

من بين المصادر المختلفة لموجات الجاذبية التضخم الكوني. النتائج التي تم نشرها مؤخرًا من قبل تعاون بلانك تفرض قيودًا على أنواع التضخم المحتملة ، بسبب عدم تأثيرها على استقطاب الإشعاع الكوني الميكروويف ، وتجاهل فئة كاملة من النماذج التضخمية - نماذج التضخم الفوضوي.

شكرا على هذا السؤال الرائع وآمل أن يكون الشرح قد تم توضيحه لك وللباقي. أرسل لي أسئلتك واقتراحاتك للمقالات التالية.

Source: https://habr.com/ru/post/ar396073/


All Articles