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  Ey   и   Ez, 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.


карт
Рис. 2.11. Схема волновых фронтов гравитационной 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

карт

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.

карт
Рис. 2.12. Схема вращения цилиндра

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.
 
карт
Рис. 2.13. График данных наблюдений сдвига фазы
 
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.

карт
Рис. 2.14. Схема движения пары Черных дыр
 

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.