Български  |  English

Гравитационните вълни - идеята на Айнщайн, имала най-голям късмет

 
Пол Валери и Алберт Айнщайн, които се възхищават взаимно един на друг, неколкократно се срещат през 20-те години на миналия век. Веднъж мислителят поет, изпълнен с убеждението, че бащата на теорията на относителността произвежда идеи с темпото, с което работят чистачките на предното стъкло, дръзнал да зададе въпроса, който от доста време бил на върха на езика му: „Когато ви хрумне някоя идея, как събирате мислите си? Вадите тефтерче, лист хартия...?” Но отговорът без всякакво съмнение го разочаровал - физикът само се задоволил да каже: „О, знаете ли, изключително рядко ми идват идеи...”
Този отговор демонстрира изключителната скромност на Айнщайн. Защото той имал идеи и то доста повече от една или две, които съвсем не са незначителни! Един прекрасен ден през 1907 г., докато е все още в Берн, на Айнщайн му хрумва идеята, имала най-голям късмет в живота му - идеята, която ще бъде крайъгълният камък в неговата теория на относителността: „Седях си на стола във Федералното патентно бюро в Берн”, разказва той. „И внезапно си дадох сметка, че ако човек е в състояние на свободно падане, той няма да усеща собствената си тежест. Поразяващо! Тази мисъл изцяло ме разтърси. Тя ме тласна към една нова теория за гравитацията.”
Онова, за което в онзи момент Айнщайн си дал сметка, било, че когато падаме при така нареченото „свободно падане”, всичко, което е близо до нас (чадър, шапка), пада също като нас, защото скоростта на падане на предметите е една и съща за всички. При свободното падане имаме усещането, че около нас земното притегляне е изчезнало, въпреки че в онзи момент ние изцяло сме подчинени на законите му. Нима това не е странно? Изглежда сякаш ускорението, създадено от падането, изтрива локалното гравитационно поле...
След първоначалното вълнение, Айнщайн ще започне настоятелно да твърди, че между ускорението и земното притегляне съществува някаква определена тъждественост, защото ако ускорението може да изтрие съществуващо гравитационно поле, то също така трябва да може да създаде и едно мнимо гравитационно поле там, където него го няма.
Съобразно този „принцип на еквивалентността”, човекът, който се намира в асансьор без прозорче, не би могъл да каже дали асансьорът е в покой в едно гравитационно поле или, бидейки изцяло извън него (гравитационното поле – бел. пр.), той е издърпван нагоре с едно постоянно ускорение. И в двата случая този човек ще чувства краката си, прилепнали за пода, и ако изпусне някакъв предмет, той ще падне по същия начин, по който, ако някой го хвърли не в асансьора, а на Земята. С две думи - проявлението на физичните закони и при двете ситуации ще трябва да бъде напълно идентично.
Четири години по-късно, вече в Прага, Айнщайн ще отбележи втори решителен пробив в разбирането, че принципът на еквивалентността предполага, че светлината, въпреки че е с нулева маса, не пада напълно отвесно в едно гравитационно поле. Нека си представим, че кабината на асансьора има ускорено движение и един лъч светлина – успореден на пода, минава през много малък процеп, направен в една от стените му. Скоростта на светлината не е безкрайно голяма и ще е необходимо време, за да може светлинният лъч да стигне до отсрещната стена, а в този период кабинката ще се е преместила нагоре, така че точката на удара на светлинния лъч ще бъде малко по-близо до пода, отколкото до входния процеп.
Ако можехме да наблюдаваме траекторията на светлинния лъч, преминаващ през кабината, щяхме да констатираме, че тя е изкривена заради ускорението в посока нагоре. А какво гласи днес принципът на еквивалентността? Че ефектът би бил същият, ако в едно гравитационно поле кабинката на асансьора бъде неподвижна. И с просто око се вижда, че, за разлика от онова, което следва според класическата теория, пътят на светлината е изкривен от гравитацията!
Тази идея ще има ефекта на космическа магическа формула. Озарила един нестандартен ум на брега на Вълтава, тя ще бъде подкрепена от аргументи, ще изкристализира и накрая ще преобърне представите на физиците дори за самата структура на Вселената.
До края на 1911 година Айнщайн ще предполага, че изкривяването на светлината, което той току-що е изчислил, може да бъде измерено на база светлината, която достига до нас от така наречените „фиксирани звезди”. При нормални условия, поради заслепяващия блясък на слънцето, фиксираните звезди, които се намират на неговата линия на движение, не се виждат, но те стават видими, когато се наблюдава пълно слънчево затъмнение. При тези условия би могло да бъде измерено потенциално отклонение на светлината заради слънчевата гравитация.
И така, за 21 август 1914 г. астрономите прогнозират, че ще се наблюдава пълно слънчево затъмнение, при което по едно и също време ще бъдат налице всички необходими условия, за да се извърши ключово изчисление. Младият германски астроном Ервин Фройндлих организира първата експедиция с крайна точка Крим точно в момента... когато е обявена Първата световна война. В резултат на това всички членове на екипа са отведени в плен от войниците на царска Русия, а инструментите им са иззети.
От една определена гледна точка, случилото се било чист късмет, тъй като предсказаното от Айнщайн все още не било достатъчно узряло, за да получи "небесна благословия": и ако Фройндлих бе успял да направи изчисленията си така, както е било предварително планирано, те са щели да опровергаят изчисленията на Айнщайн, които всъщност не са били верни...
Но да се върнем на 1913 година. Завръщайки се в Цюрих, с помощта на Марсел Гросман Айнщайн започва да изучава геометрията на така наречените „изкривени пространства”, която е разработена от Бернхард Риман. Той, от своя страна, до онзи момент е стигнал единствено до предположението за изкривеност на пространството, а Айнщайн и неговият приятел генерализират изводите от неговите трудове за цялото пространство-време. В статия, написана на четири ръце, те излагат идеята, че гравитацията не е реално действащата сила, защото тя е локално проявление на изкривеността на пространството-време.
Според Айнщайн и Гросман, геометрията на Вселената е изкривена от съвкупността на съдържащите се в нея елементи, в резултат на което тази (геометрията - бел. ред.) на пространството-време пряко определя (тоест, без да е намесена каквато и да било сила) движението на физическите обекти в нея. Въпреки това обаче, поради една грешка на Айнщайн, двамата изследователи не могат да намерят уравненията, при които изкривеността на пространството-време да се свърже с неговите маса и енергия. По този проблем Айнщайн продължава да работи и от началото на 1914 г., когато е в Берлин – градът, който до голяма степен е пощаден от войната. В края на 1915 г. Айнщайн намира точните уравнения. По време на конференцията, която организира на 25 ноември, той обявява, че изкривяването на светлината при преминаването й в близост до слънцето е два пъти по-голямо от онова, което той е обявил през 1911 година.
След края на касапницата от Първата световна война Артър Едингтън, директор на астрономическата обсерватория в Кеймбридж, организира две експедиции за наблюдение на слънчевото затъмнение на 29 май 1919 година. Той самият заминава с първия екип за малък остров в южната част на Атлантическия океан, докато вторият екип разполага своята апаратура в град в Бразилия. И въпреки неособено благоприятните метеорологични условия и лошото качество на фотографските плаки, направените измервания потвърждават изчисленията на Айнщайн. Обявяването на тези резултати ентусиазира по безпрецедентен начин и превръща Айнщайн в световна звезда. Когато Едуард, вторият син на Айнщайн, ще попита баща си защо е станал толкова известен, той ще получи прекрасен отговор, обясняващ накратко същността на откритието: „Когато един сляп бръмбар лази по повърхността на извит клон, той не си дава сметка, че пътят, по който се движи, също е крив. Аз имах шанса да забележа онова, което бръмбарът не може да види.”
През 1916 г. Айнщайн е болен, изтощен от дългогодишна интензивна работа. В същия този период обаче той започва да си задава въпроса дали тяло с маса m, намиращо се в ускорено движение, може да излъчва „гравитационни вълни” по същия начин, по който ускореният електрически заряд излъчва електромагнитни вълни. Той бързо намира решенията на своите уравнения, които съответстват на вълнообразните движения на пространството-време, разпространяващи се със скоростта на светлината.
При своето движение те така „разклащат” пространството-време, че променят разстоянието, което разделя две точки в пространството. Но тъй като е с много нисък интензитет, е изключително трудно гравитационната сила на тези вълни да бъде регистрирана. В действителност, тези вълни не са могли да възникнат без „съучастието” на едно значително събитие, възникнало преди повече от милиард години: две съседни черни дупки са се слели със скорост, равна на две трети от скоростта на светлината. Това хипермощно явление само за 20 милисекунди освободило невъобразимо количество енергия и довело до задвижването на гравитационни вълни, които постепенно губели интензитет по време на дългия си път - тяхното преминаване през Земята на 14 септември 2015 г., в 9 часа, 50 минути и 45 секунди (UT) можа да бъде регистрирано благодарение на изключително чувствителните детектори на Лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория (ЛИГО), които, освен всичко друго, поради някакво щастливо стечение на обстоятелствата, тъкмо в онзи момент били включени.
Нека само за секунда се позамислим за извършения подвиг: колебанията в дължината, които тази апаратура е успяла да измери, са били доста под размера на един протон!
Казано на математически език, физиката определено действа като една истинска „онтологична макара”: при изследването на уравненията й и последиците от тях, тя ни разкрива нови елементи от реално съществуващия свят. И го прави, първо, като прогнозира, а след това, и като доказва съществуването на фотоните, на античастиците, на кварките, а в последно време, през 2012 г., и на Хикс бозона. Но в конкретния случай можем да говорим и за една ирония на историята, защото Айнщайн никога не е вярвал в съществуването на черните дупки. А всъщност, два подобни обекта, чрез съединяването си и образуването на едно тяло, са дали възможност най-накрая да бъдат открити гравитационните вълни, предсказани от Айнщайн.
Всъщност, тук става дума за едно двойно откритие: доказано бе, че наистина има гравитационните вълни, и бе потвърдено, чрез едно своеобразно връщане на космическия асансьор, и съществуването на черните дупки (които до този момент все още бяха оспорвани от някои учени), и възможността за тяхното сливане.
Новината от 11 февруари[1] идва тъкмо навреме, за да отбележи тържествено стогодишнината от оформянето на една необичайна интелектуалната конструкция – в ума на гения се зародила една простичка идея - тя имала изключително голям късмет, но един прекрасен ден се пукнала като мехур.
Етиен Клайн
Le Monde, 16.02.2016
Превод от френски Иван Николов
 
Етиен Клайн е ръководител на изследванията в Комисариата по атомна енергия (CEA). Той е автор на „Трактат върху произхода на Вселената” (Шан-Фламарион, 2012 г.), „В търсене на Мажорана, абсолютния физик” (Едисион де Екатьор, 2013 г.) и „Тайните на материята” (Либрио, 2015 г.)
  
Съжалявам, Айнщайн, теорията ти е вярна!
 
Великите учени рядко са надменни. Макар че силата на разума лесно опиянява и може да ни внуши, че стоим над другите хора и дори над самия Творец. Но, от друга страна, навлизането в дълбините на природата отвежда до пределите на разума, разкрива нуждата от особена интуиция, от озарение относно закономерността на самите основания на Вселената. Тогава ученият се пита: „А кой съм аз, че да бъда озарен от такива зашеметяващи проникновения?“. И придобива едно естествено смирение. Такова е било присъщо и на един от бащите на модерната физика, Алберт Айнщайн.
Известен е обаче един случай, при който Айнщайн сякаш напълно забравя скромността си. През 1919 г. се организира специална експедиция за наблюдения на пълно слънчево затъмнение. Целта е експериментално да се потвърдят или опровергаят предсказанията на Теорията на относителността, че светлинните лъчи от далечни звезди се изкривяват поради гравитационното въздействие на Слънцето. Тогава един журналист пита Айнщайн какво ще стане, ако получените данни не се окажат в съответствие с неговата теория. „Ще ми стане мъчно за милия Бог“, отвърнал ученият с присъщия си хумор. „Защото моята теория е вярна.“ Изказването му било мигом разтълкувано от мнозина в духа на високомерния сциентизъм, дошъл да разпръсне окончателно тъмата на религията и невежеството.
Но аз не разчитам надменност в цитираните думи на Айнщайн. По-скоро виждам в тях убедеността на вярващия човек, когото никой не може да лиши от озарилите го проникновения. Може би той не ги разбира напълно; може би разумът му се мъчи отчаяно да ги вмести в някаква цялостна картина на света. Но той не се съмнява в тяхната реалност и знае, че те ни казват нещо за реалността в нейната цялост. С такава религиозна увереност Айнщайн става своеобразен пророк на Теорията на относителността. (Справедливостта изисква да кажем, че тя далеч не е само негово творение.) И наред с предсказанията за изкривяване на светлината в силно гравитационно поле, потвърдени през 1919 година, прави и други, които ще бъдат потвърдени значително след неговата смърт. Предсказанието за съществуване на гравитационни вълни трябваше да почака точно 100 години, докато бъде подкрепено от експериментални данни. Което прави нас, живеещите през XXI век, свидетели на изключително важен момент в развитието на науката. Както и на нова велика победа на научната интуиция.
Идеята за гравитационните вълни е действително интуитивна по същността си. Тя е изведена по аналогия с електромагнитните вълни и от съображения за симетрия. Има ред аналогии във физичното поведение на електромагнитното и на гравитационното взаимодействия. Теорията на относителността постулира, че и двете се осъществяват с крайна скорост: тази на светлината. И както ускорени частици в електромагнитно поле излъчват електромагнитни вълни, така и ускоряващи се тела в гравитационно поле би трябвало да излъчват гравитационни вълни. Концептуалната разлика при последните е, че те представляват „гънки“ на самото пространство, които се разпространяват и променят за кратко време разстоянието между избрани неподвижни тела.
Само че регистрирането на такива вълни представлява сериозна трудност. Дори и най-мощните от тях имат изключително слабо проявление върху разглежданото разстояние, а източниците им често са твърде отдалечени от Земята, което съществено намалява интензитета на гравитационното излъчване. Тези източници са и сравнително рядко срещани – най-подходящите са двойни системи от обекти с мощна гравитация, например черни дупки. И все пак, напредъкът на технологиите и дългогодишните усилия на консорциуми от специалисти донесе дългоочакваната новина: гравитационните вълни са вече научно установен факт! Нещо повече, тяхното съществуване и успешна регистрация отваря цяла нова ера в наблюденията на космоса. През ХХ век астрономите се сдобиха с много чифтове „нови очи“, с които да го разглеждат не само във видими лъчи, но и в инфрачервения, ултравиолетовия, рентгеновия, гама- и радиодиапазона. Сега пред тях се разкрива принципно различен канал за изследване на Вселената: гравитационна астрономия. Чрез този инструмент ще успеем да надникнем буквално в нейните „гънки“ и „дупки“, където гравитацията променя съществено познатата ни физика.
Любопитна историческа подробност е, че Айнщайн губи първоначалната си вяра в гравитационните вълни. До такава степен, че през 1936 г. пише статия (заедно с Натан Розен), в която се опитва да опровергае собствените си предсказания! На неизвестния рецензент дължим публикуването й в доста променен вид, като въпросът е оставен отворен. Но още по-ироничното е, че до края на живота си Айнщайн не вярва в съществуването на черните дупки. А тъкмо сливането на две черни дупки с излъчването на гравитационна вълна доведе до успешното й регистриране и подпечата валидността на неговото предсказание.
Сякаш дойде моментът за своеобразен „реванш“ от страна на Бога. Един век по-късно Той отговаря на Айнщайн в негов дух: „Съжалявам, Алберт, твоята теория на относителността наистина е вярна. Включително с гравитационните вълни и с черните дупки. И чертае нови хоризонти. Една Вселена на симетриите и аналогиите, в която всяко нещо е на мястото си. Защото Всевишният не играе на зарове в устройството й. Впрочем, това също са твои думи.“
Доц. д-р Тодор Велчев
Доц. д-р Тодор Велчев, преподавател от катедра „Астрономия“ на СУ „Св. Климент Охридски“, чете курсове по астрофизика и космология.
 


[1] Учените потвърдиха съществуването на гравитационните вълни.
още от автора


1 - 20.04.2016 17:30

Относно "Гравитационните вълни..."
От: Кирил Марков
Г-н Клайн е искрено безукоризнено заблуден в твърдението си, че гравитационните вълни имат нещо общо с теорията на относителността на Айнщайн /моите извинения, обаче мама ме е учила да казвам истината/. Той със сигурност не знае, че тензорът на енергия-импулса на гравитационното поле в тази теория не е ковариантен. Това е един псевдотензор. Отсъствието на общоковариантен тензор на гравитационното поле не позволява да се пренася и регистрира енергия чрез гравитационни вълни. Самата теория е една псевдотеория и по други причини - скоростта на светлината не е постоянна величина и това вече е доказано със сто процентна достоверност. По въпроса съм изразил становище в единичното съобщение на г-н Т. Велчев. Етер съществува със сто процентова достоверност и той има свойството да се поляризира от гравитационни маси, изменяйки скоростта на светлината, както и раждайки елементарни частици. Днес вече се продават перпетуум мобилета с допълнителна енергия на изхода си от поляризацията на Физическия Етер /устройства на Илия Вълков, устройства на Андреа Росси, и много други/. В квантовата електродинамика понятието Етер е заменено с Физически Вакуум. Това което е регистрирано може да е ефект от поляризация на Вакуума, т.е. Физически Етер /Вакуум не съществува- природата не търпи празни пространства/ или със същия успех това е изменение на скоростта на светлината. При това е единично съобщение. Основен принцип във Физиката е нови явления да се повторят най-малко две - три хиляди пъти, както и от други колективи за да се докаже тяхната дотоверност, както и тяхната качествена същност. Това е поредното неиздържано в научно отношение съобщение, според принципите във Физиката.
  
ПОРТАЛ ЗА КУЛТУРА, ИЗКУСТВО И ОБЩЕСТВО 1000 стипендии Списание “Християнство и култура” Книжарница “Анджело Ронкали” Фондация “Комунитас”