Версия 13:55, 26 марта 2012

Гипермаркет знаний>>Естествознание>>Естествознание 11 класс>> Динамические поля гравитации

                                                                      2.6. Динамические поля гравитации

Если  пространственное  распределение массы  вещества меняется  с  течением  времени,  то  должно  возникать  динамическое  гравитационное  поле. Как и для поля электромагнитного, более простое математическое описание получается  для  предельного  случая,  когда  точка  наблюдения  находится  на далеком  расстоянии  от  источника  волн.  Гравитационные  волны -  попереч  35ные.  В  общем  случае  неполяризованная  волна  описывается  двумя  взаимно перпендикулярными компонентами  E_y   и   E_z, если распространение гравитационной волны идет вдоль оси ОХ. Другой возможный случай поляризации, - когда «растяжения – сжатия» ориентированы по диагоналям осей координат.

Для случая плоского фронта поляризованной волны характер искажения пространства (растяжения линий в нем)  гравитационной волной можно представить  рис. 2.11, на  котором показано,  как  будет меняться  круговая  линия на фронте волны через четверть периода волны.

Положение волнового фронта через половину  периода  совпадает  с  первоначальным  кругом. Для  другой  возможной поляризации  растяжения –  сжатия  направлены под углом 45° к изображенным на данной схеме.

Мощным  источником  электромагнитной  волны  является  диполь -  два электрических  заряда  противоположных знаков.  Для  эффективного  излучения гравитационной  волны  необходим  квадруполь,  так  как  сжатия  и  растяжения происходят в двух взаимно перпендикулярных направлениях.  

Колебания  четырех  одинаковых  масс  во  взаимно  перпендикулярных направлениях создают переменный квадрупольный момент, и наоборот - при прохождении плоского фронта гравитационной волны свободные массы начнут колебания в этих же направлениях. Квадрупольным моментом обладает и стержень (или  цилиндр),  вращающийся  вокруг  оси  симметрии (рис. 2.12). Мощность излучения гравитационных волн стержнем выражается формулой



Величина коэффициента , поэтому даже для очень больших масс М, круговой частоты ? и длины стержня L в условиях Земли нельзя получить  заметного  гравитационного  излучения.  Однако  в  космосе  часто встречаются двойные звезды с гигантскими величинами масс, вращающиеся вокруг  общего  центра.  Поэтому  есть принципиальная  возможность  поиска гравитационных  волн  из  космоса.  Гравитационные волны - это рябь на ткани пространства-времени,  которая распространяется  со  скоростью  света.  Будучи предсказанными  Альбертом  Эйнштейном в  общей  теории  относительности, они до сих пор непосредственно не обнаружены.



Однако  косвенным  образом они были идентифицированы в движении двойных звезд. Так, в течение более  десяти  лет  наблюдали  отставание  фазы  затмения  одного  из  пульсаров (быстро вращающейся нейтронной звезды) звездой-спутником.
 
Отставание  возникает  из-за  потерь  энергии  системы  двух  звезд  на гравитационное излучение. Наблюдаемые данные, приведенные в виде точек на графике,  хорошо согласуются с расчетами потерь энергии по формуле для квадруполя, записанной выше (сплошная кривая линия на рис. 2.13). Поэтому существование динамических гравитационных полей особых сомнений у физиков не вызывает, они доверяют надежным косвенным данным. Теперь необходимо  прямое  экспериментальное  наблюдение  динамических  полей  гравитации.
 

 
Первая  антенна  гравитационных  волн  в  виде  двух  алюминиевых  цилиндров,  была  построена  в  начале 60-х  гг.  Дж.  Вебером  в  США.  Чувствительность их, как и более поздних сапфировых антенн, сделанных в России коллективом  физиков МГУ  под  руководством  В.Б.  Брагинского,  оказалась недостаточной. В настоящее время разработаны инженерные проекты лазерно-интерференционных  гравитационных  обсерваторий (проекты LIGO, VIRGO, LISA).  Аббревиатура LIGO  означает  в  переводе  на  русский  язык «Лазерная Интерферометрическая Гравитационно - волновая Обсерватория». Назначение LIGO -  наблюдение  гравитационных  волн  космического  происхождения. LIGO будет искать гравитационные волны, порожденные процессами  взрывов  сверхновых  звезд,  на  месте  которых  образуются  нейтронные звезды  и  черные  дыры. Другими  возможными  источниками  будут:  слияние двух  черных  дыр  или  двух  нейтронных  звезд,  вращение  деформированных нейтронных звезд, а также - остатки гравитационного излучения, оставшегося с момента рождения Вселенной. При слиянии двух нейтронных звезд излучается около 1% от полной энергии (Е = mc²) двух звезд.

 
Когда  сливаются  две  Черные  дыры,  мы имеем  возможность  наблюдать  вихри пространства-времени,  их  динамику.  Ведь Черные  дыры «сделаны»  не  из  обычной материи,  а  из  скрученного (вихревого) пространства-времени.  Интересно  отметить, что  гигантская масса Черной дыры при своем вращении  увлекает  за  собой  пространство примерно так же, как смерч своим вращением закручивает окружающий воздух.

В  настоящее  время  ведутся  поиски  гравитационных волн длиной от размера Вселенной  до  нескольких  метров. Хорошая  чувствительность  уже  достигнута  или планируется ее достигнуть в интервале частот от 10 до 104 Гц. На этот диапазон рассчитаны две антенны LIGO: одна в Хэнфорде, другая в Ливингстоне (США) и антенна VIRGO - недалеко от Пизы в Италии.  На более низкие частоты - от 0,1 до 0,0001 Гц гравитационного излучения - нацелен спутниковый проект LISA  (Лазерно -  Интерферометрическая  Спутниковая  Антенна). Пробный запуск элементов антенны намечен на 2006 г., а окончательный - на 2010-й.  Космическая  антенна  будет  расположена  на  той  же  орбите  вокруг Солнца, что и Земля. В ней, как и в антеннах LIGO и VIRGO, будут использованы  зеркала (центральный  элемент  в  спутниках)  и  лазерный  интерферометр для измерения их малых относительных колебаний (амплитуда 10-9 см
при расстоянии между зеркалами в 5 млн. км). Антенна на околоземной орбите позволит начать изучение того, что происходило во Вселенной в первую секунду ее существования. Можно предсказать, что в ближайшие 20-30 лет с помощью  этих  антенн  мы  сможем  узнать «темный» (в  буквальном  смысле этого слова) миг эволюции нашей Вселенной, в течение которого вся информация о происходящем была связана с излучением гравитационных волн.  

 
 

Концепции современного естествознания. Стародубцев В.А., 2-е изд., доп. — Томск.: Том. политех. ун-т, 2002. — 184 с.

Содержание урока
 конспект урока
 опорный каркас  
 презентация урока
 акселеративные методы 
 интерактивные технологии 

Практика
 задачи и упражнения 
 самопроверка
 практикумы, тренинги, кейсы, квесты
 домашние задания
 дискуссионные вопросы
 риторические вопросы от учеников

Иллюстрации
 аудио-, видеоклипы и мультимедиа 
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 юмор, анекдоты, приколы, комиксы
 притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения
 рефераты
 статьи 
 фишки для любознательных 
 шпаргалки 
 учебники основные и дополнительные
 словарь терминов                          
 прочие 

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 обновление фрагмента в учебнике 
 элементы новаторства на уроке 
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 идеальные уроки 
 календарный план на год  
 методические рекомендации  
 программы
 обсуждения


Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.