✏️ 🤣 🚓 Fragen Sie Ethan Nr. 74: Gravitationswellen 🖖🏽 🧛🏾 🧓🏾

Licht und Ton sind die Wellen, die wir kennen. Wellen sind aber auch Gravitationswellen.

Folglich ist der Raum an sich und die Zeit an sich dazu bestimmt, im Schatten zu verschwinden, und nur die Vereinigung der beiden wird in der Rolle der unabhängigen Realität bleiben.
- Deutscher Minkowski

Als Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie vorschlug, schockierte sie nicht nur die Grundlagen der Physik, sondern zerstörte sie vollständig, um neue zu bauen. Anstelle der Materie, die an räumlichen und zeitlichen Punkten existiert, schlug sie vor, dass Raum und Zeit ihre eigenen Dimensionen in der vierdimensionalen Struktur der Raumzeit haben, und diese Struktur ändert sich aufgrund der Anwesenheit und Wechselwirkung aller Materie und Energie in ihr. Seine Wahrheit wird durch mehrere seiner erfolgreichen und überraschenden Vorhersagen bestätigt, von der Rotverschiebung der Gravitation bis zur Biegung des Sternenlichts aufgrund der Anwesenheit von Materie.

Die Frage, die Sie heute aus den von Ihnen gesendeten ausgewählt haben, ist die kürzeste in der Geschichte unserer Artikel und gehört Adam Rabang, der fragt:

Lieber Ethan,
was zum Teufel sind Gravitationswellen?
Danke
Adam.

Lassen Sie uns zunächst eine andere Art von Welle diskutieren, mit der Sie vielleicht vertraut sind: Wasserwellen.

Sie können mit vollkommen ruhigem und flachem Wasser beginnen. Die Wasseroberfläche bleibt ruhig und unberührt von äußeren Kräften. Was passiert, wenn Sie beispielsweise ein Insekt vorsichtig auf die Oberfläche legen?

Es verformt die Oberfläche leicht, da die Anziehungskraft des Insekts eine Kraft auf die Oberfläche ausübt, die zu seiner Krümmung führt. Wenn wir zum Beispiel etwas weniger Zartes tun, lassen Sie ein Objekt aus großer Höhe auf die Wasseroberfläche fallen - was werden wir sehen?

youtu.be/QQ37RLXNAgc

Wir werden eine bekannte Welligkeit sehen, die wir mit Wasserwellen assoziieren. Wir haben die Wasseroberfläche gestört und die Energie breitet sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach außen aus, abhängig von den Eigenschaften des Mediums (Wasser), entlang dem sich die Welle bewegt.

Wenn wir anfangen, die Lichtwellen zu betrachten, bleibt alles beim Alten, obwohl es weniger intuitiv wird.

Licht kann man sich auch als Wellen vorstellen, die sich in der Raumzeit ausbreiten. Er hat eine bestimmte Energie, abhängig von der Frequenz / Wellenlänge, der Ausbreitungsgeschwindigkeit, der Lichtgeschwindigkeit in einer bestimmten Umgebung, und er bewegt sich in eine bestimmte Richtung, die durch die Bedingungen bestimmt wird, unter denen er entstanden ist, und folgt dann dem Pfad, der durch die Krümmung der Raumzeit bestimmt wird.

Aber wie entsteht Licht? Wie erscheint ein echtes Photon? Ein Weg ist die Wechselwirkung von Teilchen (oder Antiteilchen) miteinander: Es besteht eine endliche Wahrscheinlichkeit, dass zwei wechselwirkende Teilchen mindestens ein Photon erzeugen.

Ein anderer, interessanterer Weg ergibt sich aus einem Effekt, der in klassischen Wellen kein Analogon hat: Wenn sich ein geladenes Teilchen in Gegenwart eines Magnetfelds bewegt.

Ja, das Magnetfeld zwingt das Teilchen, die Richtung zu ändern: Es wirkt auf die Lorentzkraft. Wenn sich ein Teilchen in einem Magnetfeld bewegt, emittiert es auch Strahlung in Form von Photonen: Zyklotronstrahlung mit niedrigen Energien / Geschwindigkeiten / Feldern oder Synchrotronstrahlung unter relativistischeren Bedingungen.

Diese Art von Strahlung tritt nicht nur in Experimenten auf der Erde auf, sondern auch im natürlichen Labor des Universums - zum Beispiel in den Jets des Riesen, der massereichsten der nächsten Galaxien, Messier 87.

Und so kamen wir zur Schwerkraft. Elektrizität hat zwei Arten von Ladungen - positive und negative - und die Schwerkraft hat eine: Masse oder genauer Energie. Während elektrische Felder und Magnetfelder geladene Teilchen beeinflussen, hat die Schwerkraft nur einen Feldtyp: die Krümmung des Raums.

Aber mit der Schwerkraft im Universum ist die Situation dieselbe wie mit dem Elektromagnetismus: Wir haben gravitativ geladene Teilchen, die sich in Gravitationsfeldern bewegen.

Obwohl sich die physikalischen Gesetze in einigen Details unterscheiden, ist der Effekt der gleiche: Strahlung. In unserem Fall handelt es sich nicht um elektromagnetische Strahlung, sondern um Gravitation! Wellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das Gewebe der Raum-Zeit und tragen Energie.

Der Effekt nimmt bei sich schnell beschleunigenden Massen in sich ändernden Gravitationsfeldern zu, beispielsweise wenn sich ein Neutronenstern mit einem anderen verbindet oder sich in einer kleinen und abnehmenden Umlaufbahn mit einem anderen Körper befindet, den der Stern verlassen hat.

Gravitationswellen (oder Gravitationsstrahlung) manifestieren sich durch diese Welligkeit in der Raumzeit und führen zu genau definierten Verzerrungen in der Größe und Richtung jeglicher Materie und / oder elektromagnetischer Strahlung, die auf dem Weg angetroffen werden.

Bild

Theoretisch können diese Wellen direkt über ein Interferometer mit langer Basis erfasst werden, und jetzt arbeiten sie in verschiedenen Projekten an dieser Suche, einschließlich der LIGO-Zusammenarbeit. [Genau ein Jahr nach dem Schreiben dieses Artikels entdeckte LIGO Gravitationswellen - ca. übersetzt.]
Wenn ein Wunder geschieht, starten sie eine Weltraumantenne mit Laserinterferometern oder LISA, die diesen Effekt garantiert erkennt. Weil LISA in dem Bereich danach suchen wird, in dem eine große Anzahl von Ereignissen auftreten sollte!

Wir haben bereits indirekte Hinweise auf die Existenz von Gravitationswellen, da wir die vorhergesagte Abnahme der Umlaufbahnen von Pulsaren über viele Jahre beobachten - eine Beobachtung, die mit der Vorhersage von GR übereinstimmt. GTR sagt andererseits auch voraus, dass die Umlaufbahnen aufgrund der Emission von Gravitationswellen verblassen sollten. Wenn sie sie direkt erkennen könnten, wäre dies eine Bestätigung einer der letzten grundlegenden Vorhersagen einer der größten physikalischen Theorien.

Was sind Gravitationswellen? Dies ist eine neue Form der Strahlung - Gravitationsstrahlung - die von massiven oder energietransportierenden Partikeln emittiert wird, die sich in Gravitationsfeldern bewegen. Wenn sich ein Teilchen beschleunigt oder sich das Gravitationsfeld ändert, nimmt die Strahlungsintensität zu und nimmt mit der Zeit Energie mit Lichtgeschwindigkeit ab, wodurch die Bahnen absterben, und es ist auch möglich, diese Wellen zu erfassen. Mit dem richtigen Ansatz können wir eine neue Art von Astronomie erhalten - die Gravitationsastronomie - die Technologie dafür existiert bereits!

Zu den verschiedenen Quellen von Gravitationswellen gehört die kosmische Inflation. Kürzlich veröffentlichte Ergebnisse der Planck-Kollaboration beschränken mögliche Inflationsarten aufgrund der fehlenden Auswirkung auf die Polarisation der kosmischen Mikrowellenstrahlung und verwerfen eine ganze Klasse von Inflationsmodellen - chaotische Inflationsmodelle.

Vielen Dank für die wundervolle Frage, und ich hoffe, dass Ihnen und den anderen die Erklärung klar gemacht wurde. Senden Sie mir Ihre Fragen und Vorschläge zu den folgenden Artikeln.

Fragen Sie Ethan Nr. 74: Gravitationswellen

Licht und Ton sind die Wellen, die wir kennen. Wellen sind aber auch Gravitationswellen.

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