Stulecie fal grawitacyjnych
advertisement
Andrzej Kułak Stulecie fal grawitacyjnych Polskie Towarzystwo Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej 24 listopada 2016 100 lat w 1915 r. Albert Einstein opublikował ogólną teorię względności w 1916 r. przewidział istnienie fal grawitacyjnych ich istnienie było bardzo trudne do eksperymentalnego potwierdzenia koncepcja fal wzbudzała także wątpliwości teoretyczne sam Einstein wątpił w fale grawitacyjne w różnych okresach życia długo dyskutowano czy są fizycznie wykrywalne impas przełamał Richard Feynman w 1955 r. Joseph Weber z Uniwersytetu Maryland podjął w 1968 r. próbę detekcji 12 lutego 2016 r. opublikowano pierwszy wynik bezpośredniej detekcji fal Cztery podstawowe oddziaływania zasięg siła oddziaływania Oddziaływania grawitacyjne / elektromagnetyczne 1687 - prawo ciążenia Newtona 1785 - prawo Coulomba przyciąganie mas oddziaływania ładunków ruch planet prądy - elektrotechnika Podobieństwa i różnice prawo Newtona m1m2 F =G 2 r masy mogą być tylko dodatnie prawo Coulomba q1q2 F =k 2 r ładunki mogą być dodatnie i ujemne tylko przyciąganie przyciąganie lub odpychanie obejmuje wszystkie cząstki tylko cząstki naładowane najsłabsze oddziaływanie duże siły - + proton elektron siła elektryczna jest 1036 razy większa od siły grawitacyjnej Jak szybko rozchodzą się siły? 1687 - Isaac Newton 1785 - prawo Coulomba prędkość nieskończona prędkość nieskończona (76 lat) 1861 – James Clerk Maxwell (228 lat) siły rozchodzą się z prędkością światła 1915 – Albert Einstein ogólna teoria względności 1915 - równania pola grawitacyjnego 17 prac w latach 1912 - 1915 25 listopada 1915 – prezentacja w Pruskiej Akademii Nauk 20 marca 1916 – publikacja w Annalen Der Physik – 54 strony 1916 – jak doszło do powstania OTW Einstein był pod silnym wpływem platońskich wizji świata uważał że pomiędzy światem matematyki i fizyki istnieje ścisły związek mechanika Newtona nie mogłaby powstać bez geometrii Euklidesa Newton nie zastanawiał się nad statusem epistemologicznym geometrii E Kant wyraził pogląd, że geometria E stanowi prawdę syntetyczną a priori Gauss wątpiąc badał empirycznie sumy kątów w trójkącie Einstein był przekonany, że nowa teoria wymaga nowej geometrii nie było prawie żadnych faktów empirycznych żeby poprawiać teorię Newtona mechanika Newtona i ogólna teoria względności to różne geometrie OTW powstała jako nowa skończona konstrukcja, a nie uogólnienie Newtona Piękno Prostota Zgodność z Obserwacjami 1915 – jak jest skonstruowana zastosował geometrię nieeuklidesową rozwiniętą wcześniej przez Riemanna „ciążenia nie będziemy dłużej uważać za siłę” cząstki / obiekty fizyczne poruszają się w 4D czasoprzestrzeni po najkrótszych trajektoriach (geodezyjnych) pierwsza zasada Newtona zamieniona na: ciało porusza się po geodezyjnej przyczyną zakrzywienia czasoprzestrzeni jest materia (tensor energii-pędu) 10 równań wiąże zakrzywienie czasoprzestrzeni z tensorem energii - pędu ruch ciał → zmiany zakrzywienia → ruch ciał → grawitacja jest nieliniowa w układzie związanym ze spadkiem swobodnym grawitacja znika Komu były potrzebne fale elektromagnetyczne w 1861 r. ? 1785 - prawo Coulomba ε0 1799 – ogniwo Volty 1820 - prawo Ampera µ0 1831 - prawo Faradaya (najbardziej pokraczne prawo fizyki) 1847 – Helmholtz – prawa Ampera i Faradaya są ze sobą ściśle powiązane 1854 – koniec rozwoju elektrodynamiki – ostateczna teoria Webera 1 q1q2 F= 4πε 0 r 2 r dv 1 v 2 − 1 + 2 2 c dt 2 c 1861 – James Clerk Maxwell c= c= prąd przesunięcia równania różniczkowe dla pól E i H 1 ε 0 µ0 1 ε 0 µ0 stała przeliczeniowa prędkość światła Fale grawitacyjne / Fale elektromagnetyczne 1915 – Albert Einstein ogólna teoria względności 1916 - fale grawitacyjne 1861 – James Clerk Maxwell równania Maxwella 1861 - fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością światła 1916 – fale grawitacyjne 22 czerwca 1916 Potwierdzenia zjawisk fizycznych przewidywanych przez OTW ruch peryhelium orbity planety 1916 – A. Einstein - wyjaśnił ruch Merkurego ugięcie sygnałów świetlnych w pobliżu dużych mas 1919 – A. Eddington – obserwacja zaćmienia Słońca w Afryce rozszerzający się / kurczący się Wszechświat 1922 / 1927 – A. Friedman teoria / E. Hubble obserwacje poczerwienienie fotonów wydostających się z pola grawitacyjnego planety 1960 – R. Pound, G. Rebka – poczerwienienie fotonów efekt Lense -Thirringa – wleczenie układów inercjalnych 2012 – eksperyment satelitarny Gravity Probe B istnienie fal grawitacyjnych 1916 – Einstein wyjaśnia ruch peryhelium orbity Merkurego ruch peryhelium orbity planety GMm ∆α = 6π cL 2 wyliczony z Newtona 527 s / 100 lat obserwowany 565 s / 100 lat nadwyżka 38 s / 100 lat efekt relatywistyczny 38 s / 100 lat „Przez kilka dni nie mogłem dojść do siebie z powodu radosnego podniecenia” (z listu do przyjaciela, Paula Ehrenfesta) 1919 – ekspedycja Eddingtona potwierdza efekt Einsteina ugięcie sygnałów świetlnych w pobliżu dużych mas obserwacja zaćmienia Słońca w Afryce ∆ϕ = 4 GM c2R zmodyfikowana teoria Newtona – foton jako cząstka 0.87 ‘’ OTW – zakrzywienie trajektorii fali 1.74 ‘’ 1922 – A. Friedman – przewiduje ekspansję Wszechświata rozwiązania równań Einsteina otwiera nową kosmologię v=H r C. Flammarion - 1888 E. Hubble – odkrycie ekspansji - 1926 1960 – R. Pound i G. Rebka potwierdzają wpływ pola G na fotony źródło fotonów gamma 57Fe różnica poziomów h = 22.5 m ∆f = f − f 0 = f 0 ≈ f 0 gh c2 dzisiaj – zegary atomowe Glen Rebka - Harvard University 2004 / 2012 – efekt Lense-Thirringa z 1918 r. potwierdzony 2004 - wleczenie układów inercjalnych wokół rotującej masy 31 milisekund na rok satelity LAGOS 10 % dokładność Newton Einstein 2012 - eksperyment satelitarny – precesja żyroskopu na orbicie satelita Gravity Probe B 1 % dokładność (składowa magnetyczna pola G) zarówno pole magnetyczne H jak i pole L-T są efektami relatywistycznymi Jak powstają fale ? ogólna teoria względności 1916 - fale grawitacyjne równania Maxwella 1861 - fale elektromagnetyczne przyspieszony ruch mas przyspieszony ruch ładunków tylko kwadrupolowe dipolowe lub kwadrupolowe bardzo mała efektywność źródła naturalne ruch gwiazd w układzie podwójnym bardzo duża efektywność możliwy eksperyment laboratoryjny ruch ładunków w przewodach 1885 – H. Hertz - eksperyment Elementarne źródła fal fale grawitacyjne fale elektromagnetyczne kwadrupol dipol / kwadrupol -q +q m m P∝ G P ∝ 3 I 2ω 6 c 1 2 4 pω 3 c 1 r drgania czasoprzestrzeni bezwymiarowa amplituda h pole elektromagnetyczne amplitudy pola E i H Natura fali grawitacyjnej deformacja czasoprzestrzeni https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave#/media/File:Quadrupol_Wave.gif Czy detekcja fal grawitacyjnych jest możliwa ? przez lata dyskutowano jakie mogą być skutki fizyczne oddziaływania fali większość fizyków wykazywała sceptycyzm co do możliwości detekcji wielu z nich przekonał eksperyment myślowy Feynmana w 1955 roku Detektor grawitacyjny Feynmana: Weź dwie kulki swobodnie przesuwane (ale z małym tarciem) na sztywnym pręcie. Jeżeli fala przechodzi przez pręt i siły atomowe przeciwstawiają się zmianom jego długości, odległość pomiędzy prawie swobodnymi kulkami zmienia się. Tak więc koraliki ocierają o pręt, wydzielając ciepło. sceptycyzm wśród niektórych badaczy pozostał do dziś Oddziaływanie fal z materią fale grawitacyjne fale elektromagnetyczne drgania czasoprzestrzeni m m wektory pola E i H +q zmiana odległości pomiędzy masami / ładunkami jeżeli pomiędzy nimi jest sprężyna - powstaną siły rozciąganie i zgniatanie na przemian -q Jak zbudować najprostszą odbiorczą antenę grawitacyjną ? efekt działania fali – zmiana odległości ∆l = l ⋅ h l =1 m h = 10-20 l amplituda fali ∆l = 10-20 m 1965 – Joseph Weber – pierwszy pomysł detekcji – cylinder metalowy rezonator akustyczny pobudzany falą grawitacyjną granicę detekcji wyznacza szum termiczny 1969 – antena J. Webera T = 300 K l =2m ∆l = 10−16 m m = 1500 kg h = 5 10−17 Q = 106 f = 1660 Hz Anteny mechaniczne w latach siedemdziesiątych w 1972 Weber ogłosił że prawie codziennie obserwuje impulsy grawitacyjne tłumaczył je wybuchami supernowych w pobliskich galaktykach wkrótce podobną antenę zbudował fizyk Richard Garwin w ciągu 6 miesięcy odebrała ona tylko 1 impuls Garwin wytknął Weberowi złe oszacowanie częstości sygnałów astro inny fizyk David Douglass wykrył błąd w oprogramowaniu Webera w 1972 w Instytucie Maxa Plancka zbudowano kolejną antenę ona również nic nie odbierała do roku 1980 powstały dalsze anteny mechaniczne w kilku krajach brak wyników zrodził impas w badaniach fal grawitacyjnych 1971 – koncepcja anteny grawitacyjna na swobodnych masach pomysł - G. E. Moss, J. R. Miller, R. J. Forward l zastosować swobodne oddalone od siebie lustra prowadzić pomiar odległości przy pomocy światła 1977 – inne rozwiązania fotony krążą w falowodzie kołowym Tg - + - 2 gdy + Tr 4 Tr = 2Tg , czyli fg = 2 fr oddziaływanie rezonansowe kumuluje się zmiana energii (częstotliwości fotonów) ψ∆ = hωe τ τ równanie dewiacji fazy czas obserwacji (< czasu życia fotonów) 1977 – detektor EM jest detektorem superheterodynowym fe fi fg sprzęgacze kierunkowe radiometr interferometr fi = fe ± f g ε ∆ = ε 0ψ ∆2 częstotliwość sygnału na wyjściu interferometru energia detekcyjna ε ∆ ∝ h2τ 2ωe2 granicę detekcji wyznacza szum termiczny daje szansę na realizację eksperymentu Hertza 1982 – nieoczekiwane odkrycie fal grawitacyjnych w nadajniku 1974 – R. Hulse, J. Taylor - odkrycie podwójnego pulsara PSR 1913+16 bardzo ciasny układ okres obiegu 7.75 godzin siła radiacyjna promieniowania v F ∝ c 7 ruch orbitalny przyspiesza efekt zgodny z OTW jednak fale grawitacyjne istnieją 1991 – postęp w detektorach mechanicznych – projekt Allegro Louisiana State University l =3m ∆l = 3 10−20 m m = 2300 kg h = 10−20 Q = 107 T = 4.2 K f = 900 Hz 2001 – granice detekcji mechanicznej - detektor Nautilius / Frascati T = 0.1 K l =3m ∆l = 10−21 m A = 260 dB m = 2300 kg h = 5 10−22 Q = 108 f = 908 / 924 Hz Rozwój fizyki pomiaru małych sił koncepcja stroboskopowego pomiaru oscylatora V. Braginsky, K. Thorne ok. 1980 Quantum Nondemolition Measurement - QND niezależnie powstały koncepcje idealnego detektora fazy ∆n ⋅ ∆ψ ≥ 1 idealny detektor fazy 1 ∆ψ = n ∆ψ = 1 n ∆ψ = 0 B. R. Johnson, et al. “Quantum non-demolition detection of single microwave photons in a circuit.” Nature Physics. Advance Online Publication. DOI:10.1038/NPHYS1710 1992 – początek projektu LIGO uniwersytety CALTECH i MIT koncepcja - zastosowanie interferometru Michelsona 2 detektory oddalone od siebie na odległość 3000 km lustra jako swobodne masy specjalne systemy zawieszeń laser jako źródło światła tunele próżniowe l=4000 m 1887 - Interferometr Alberta Michelsona zapewnia niezwykle precyzyjny pomiar różnic odległości luster 1887 – A. Michelson, E. Morley – eksperyment wykluczenia eteru 1907 – nagroda Nobla (koncepcja optycznego wzorca metra) Położenie detektorów LIGO - Hanford i Livingston Hanford, Washington 3000 km / 10 ms Livingston, Louisiana Przebieg projektu LIGO 1992 – początek projektu – detektor w małej skali - eksperymenty laserowe 1996 – rozpoczęcie budowy 2000 – koniec budowy – testy techniczne 2002 – pierwsze próby detekcji fal grawitacyjnych 2008 – brak sukcesu - decyzja o koniecznym udoskonaleniu LIGO 2015 – zakończenie prac - czułość 10 razy większa 2015 – 14 września - pierwszy test i pierwsza detekcja fali grawitacyjnej 1300 fizyków i inżynierów z wielu krajów 300 europejczyków – od 1993 równoległy projekt Virgo 15 osób z Polski Pokonane problemy techniczne piętrzące się przed eksperymentatorami zawieszenia mas tłumiące drgania sejsmiczne stworzenie niezwykle czystego spektralnie lasera budowa luster o doskonałości przekraczającej wszystkie osiągnięcia technika próżni w wielkich obiektach stworzenie wyrafinowanych metod analizy sygnałów osiągnięcia w każdej z tych dziedzin przyczyniły się do rozwoju techniki Obecny stan detektora LIGO ∆ϕ ⋅ ∆n > 1 ∆ϕ > ∆l > λe = 1064 [nm] Nd:YAG 1 2 n λ 1 4π n ∆ϕ = 2π λ ∆l Graniczne amplitudy fal grawitacyjnych możliwe do wykrycia przez LIGO h l = 4000 m ∆l = 5 10−20 m h = 10−23 h> λ 1 8π n Ogólny widok detektora LIGO w Hanford https://www.caltech.edu/news/dedication-advanced-ligo-46822 Ogólny widok detektora LIGO w Livingston Budynki bloku lasera i interferometru w Livingston Dzieła sztuki inżynierskiej - kanały próżniowe promienia laserowego Dzieła sztuki inżynierskiej - systemy zawieszeń mas próbnych drgania sejsmiczne są tłumione 1011 razy Dzieła sztuki – idealne lustra światło odbite nie traci więcej niż 1/5000 energii Lustra Lustra 12 luty 2016 - uroczyste konferencje – historyczny komunikat równoległe konferencje prasowe w Waszyngtonie, Pizie i Warszawie komunikat ogłoszono równocześnie o godz. 15:30 UT 12 luty 2016 – publikacja 1300 autorów Odebrany 14 września 2015 sygnał grawitacyjny Co wytworzyło zarejestrowaną falę grawitacyjną ? odległość 410 Mps = 1340 lat świetlnych masy czarnych dziur – 36 i 29 mas Słońca masa czarnej dziury po połączeniu – 62 masy Słońca wypromieniowana energia E = 3 Mo c2 chwilowa moc 100 była razy większa niż wszystkich źródeł Analiza spektralna przebiegów Fala grawitacyjna emitowana przez ruch gwiazd w układzie podwójnym https://www.ligo.caltech.edu/page/what-are-gw Akcent polski w badaniach fal grawitacyjnych 15 osób z Polski tworzy konsorcjum naukowe POLGRAW kierownikiem zespołu jest prof. Andrzej Królak z Instytutu Matematyki PAN w Warszawie współpraca obejmuje zespoły LIGO i VIRGO są współautorami odkrycia w projekcie LIGO również Kraków ma pewien wkład pracujący na AGH i UJ Zespół Fal ELF wspomagał zespól LIGO w dziedzinie weryfikacji wpływu ziemskich fal elektromagnetycznych zakłócających detektory Położenie polskiej stacji Hugo względem detektorów LIGO Hanford, Washington ELF / 1540 km / 6 ms Hugo GW / 3000 km / 10 ms ELF / 1505 km / 6 ms Livingston, Louisiana Nasza weryfikacja wpływu impulsów pola ELF Czystość relatywistyczna przełomowej obserwacji to nie tylko pierwsza bezpośrednia detekcja fali grawitacyjnej ale także pierwszy dowód na istnienie podwójnych czarnych dziur oraz relatywistycznej ewolucji ich układów, aż do połączenia oraz sprawdzenia formuł na promieniowanie grawitacyjne wszystkie te fenomeny fizyczne wynikły z ogólnej teorii względności to wydarzenie niezwykle się zbiegło z 100 rocznicą publikacji Einsteina Po co odkryto te fale ? eksperyment LIGO pochłonął dotąd ok. 1.1 mld USD / 40 lat czy jest z tego jakaś korzyść ? w takich przypadkach najlepiej przytaczać opinię Richarda Feynmana: «fizyka jest jak seks: oczywiście, że może dawać jakieś praktyczne rezultaty, ale nie z tego powodu się nią zajmujemy». Dziękuję za uwagę Druga detekcja fal grawitacyjnych w LIGO interferometr działał od 12 września 2015 do 19 stycznia 2016 pierwsza detekcja GW150914 miała miejsce 14 września 2015 druga GW151226 26 grudnia 2015 masy czarnych dziur – 14 i 8 mas Słońca masa czarnej dziury po połączeniu – 21 masy Słońca wypromieniowana energia E = 1 Mo c2 następny cykl zbierania danych rozpocznie się wkrótce
