Гравитационные волны - Брагинский В.Б.
Гравитационные волны
Автор: Брагинский В.Б.Другие авторы: Сажин М.В.
Издательство: МГУ
Год издания: 1963
Страницы: 31
Читать: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Скачать:
Гравитационные волны
В.Б. Брагинский, М.В. Сажин
Предисловие
Цель этого популярного обзора - описание одного из направлений исследований современной астрофизики. Цель этих исследований - обнаружение и изучение гравитационного излучения от различных астрофизических источников. В ходе этих исследований будет получена качественно новая информация о процессах в нашей Вселенной, об эволюции некоторых ее компонентов. Кроме того, ожидается, что будут решены несколько фундаментальных физических проблем. Исследования в этом направлении по необходимости привели к разработке качественно новых методов прецизионных измерений. Уже разработанные методы, а также планируемые к разработке в ближайшие годы, найдут применение в других областях физики, а также техники.
Содержание
I. I. Историческое введение, основные сведения о свойствах космических источников гравитационного излучения. 1-5
Взаимодействие обычной материи с гравитационной волной, устройство наземных лазерных гравитационно-волновых антенн.
Ожидаемые результаты исследований на наземных гравитаци- 5
онно-волновых антеннах.
II. Внеземные гравитационно-волновые антенны (проект LISA).
12-13
13-14
Гравитационные волны во Вселенной. 15-18
Пульсары и анизотропия РИ как детекторы ГВ. 18-24
Заключение. 24-26
I. Историческое введение, основные сведения о свойствах астрофизических источников гравитационного излучения.
В самом конце первой мировой войны в 1918г., т. е. через два года после опубликования уравнений Общей Теории Относительности (ОТО), А. Эйнштейн публикует еще одну статью, в которой показывает, что из уравнений ОТО следует существование гравитационных волн. Эти волны в вакууме должны распространяться со скоростью, равной скорости света. В этой же статье приведена и формула для мощности гравитационного излучения, возникающего всегда, если массы движутся с переменным ускорением [1].
Уравнения ОТО для слабых гравитационных полей сходны с уравнениями Максвелла для электромагнитных полей. С помощью уравнений Максвелла можно предвычислить, какое электрическое поле и какое магнитное поле породят электрические заряды и электрические токи. При переменном движении зарядов возникнут и электромагнитные волны, которые, по выражению голландского физика Г.А. Лоренца, отпочковываются и далее существуют независимо от породивших их зарядов или токов. Сходное положение дел и с уравнениями ОТО, однако есть и существенные различия. Первое и самое существенное различие состоит в том, что уравнения ОТО основаны на так называемом принципе эквивалентности (по существу это опытный факт) массы инертной (той, которая входит во второй закон механики Ньютона) и массы гравитационной (входящей в гравитационный закон Ньютона). Лучше формулировать этот принцип, как равенство
1
отношений гравитационной массы к инертной для любых тел. Этот принцип позволил придать уравнениям ОТО универсальный характер: любая конечная масса изменяет (искривляет) метрику пространства-времени. Из уравнений ОТО можно, например, рассчитать траекторию движения пробной массы вблизи какого-либо массивного тела (в первом приближении расчет даст тот же ответ, что и “по Ньютону”) а также предсказать, как изменится ход часов вблизи этого массивного тела. Поэтому уравнения ОТО описывают компоненты тензора кривизны нашего пространства-времени, порожденные любыми массами (и их энергией тоже). Иногда уравнения ОТО называют уравнениями геометродинамики. Как отмечалось выше, при переменных ускорениях массивных тел возникает порожденное ими гравитационное излучение. Это излучение, также как и электромагнитные волны, отпочковывается от источника (т. е. от ускоренно двигавшихся массивных тел) и существует независимо от источника, распространяясь в вакууме со скоростью равной скорости света. О гравитационных волнах уместно употреблять термин “рябь на кривизне пространства-времени”, предложенный проф. К.С. Торном (см. обзор [2]). Этот термин подчеркивает их универсальный характер.
Второе существенное различие между уравнениями ОТО и электродинамики состоит 1) в относительной малости (слабости) гравитационного взаимодействия и 2) в том, что все гравитационные заряды (массы) притягивается (не существуют, как в электродинамике, положительные и отрицательные заряды). Слабость гравитационного взаимодействия удобно “проиллюстрировать” на примере
двух протонов: их притяжение из-за гравитационных масс в 1,6 х 1034 раз меньше чем электростатическое отталкивание. Землянам уместно помнить, что только наличие у нашей планеты массы 6 х 10 21 тонн создает ускорение вблизи ее поверхности 9,8м / с -2 для всех тел без различия. Одинаковость отношения гравитационной массы (заряда) к массе инертной приводит к тому, что, если придать каким-то образом ускорение одной массе (заряду) другая масса (заряд) должна иметь противоположное направление ускорения (центр масс должен остаться на месте). В этом случае, пользуясь термином из электродинамики, не будет диполь-ного излучения а будет только квадрупольное. Квадрупольный излучатель можно представить себе, как два дипольных излучателя, которые “мешают” друг другу. Иными словами, излучение одного почти полностью “вычитается” (компенсируется) другим дипольным излучателем. Это, последнее обстоятельство и явилось причиной того, что после появления в 1918 г. статьи А. Эйнштейна о гравитационных волнах у экспериментаторов не возник интерес к идее попытаться в земных, лабораторных условиях повторить опыт Герца, но для гравитационных волн. Если, например, раскрутить гантель с двумя массами по тонне каждая и мощным метровым их скрепляющим стержнем то, используя лучшие стали, можно достичь частоты вращения гантели около 100 Гц и, по формуле А. Эйнштейна окажется, что мощность гравитационного излучения не превысит 10 -23 эрг / сек = 10 -30 Ватта !
