Закон за всеобщото привличане на нютон

текст към презентацията

1. 
   ГРАВИТАЦИОННИТЕ ВЪЛНИ
   

откритието на 2016 година

Надя Кискинова, НАОП Стара Загора

2. 
   ЗАКОН ЗА ВСЕОБЩОТО ПРИВЛИЧАНЕ НА НЮТОН
   

Нютон за първи въвежда термина ГРАВИТАЦИЯ като всеобщо привличане между телата с маси и формулира ЗАКОНА ЗА ВСЕОБЩОТО ПРИВИЛИЧАНЕ или закона за гравитацията. Самият той обаче, а и много светли умове след него, не успяват да разтълкуват физическата природа на гравитацията, що за сила е това, на която е подчинена цялата Вселена.

3. 
   ГРАВИТАЦИЯ
   

– до тъканта на Вселената - времето и пространството.

4. 
   “Зад нещата има още нещо, нещо, което е скрито дълбоко.” Айнщайн
   

В началото на ХХ век Айнщайн разсъждава за това как би изглеждало пътуване със скоростта на светлината и през 1905 г. публикува Специалната теория на относителността, приемайки за постулат крайната скорост на светлината и доразвивяйки принципа на относителността, формулиран още от Галилей. Теорията е завършена, цялостта, а следствията от нея днес са експериментално потвърдени. Тя обаче разглежда само случаи на инерциални отправни системи – такива които се движат една спрямо друга равномерно праволинейно. Айнщайн продължава разсъжденията и 10 години по-късно публикува Общата теория на относителността за случай на ускорително движещи се неинерциални отправни системи. И стига до интерпретация на гравитацията като изкривяване на самото пространство-време

5. 
   ЩО Е ГРАВИТАЦИЯ?
   

6. 
   ВРЕМЕ И ПРОСТРАНСТВО
   

7. 
   Открийте разликата,... ако има такава
   

8. 
   МИСЛЕН ЕКСПЕРИМЕНТ
   

9. 
   МИСЛЕН ЕКСПЕРИМЕНТ

   Двамата наблюдатели обаче могат да комуникират.

   
   Започват да спорят –
   кой от тях стои неподвижно и кой лети в Космоса.

   Защо ли?

   
   

10. 
    МИСЛЕН ЕКСПЕРИМЕНТ

    Усещанията им са еднакви.

    
    И двамата наблюдатели имат право да твърдят,
    че са неподвижни или летят.
    Те самите са участници в движение с еднакво ускорение
    в две идентични НЕИНЕРЦИАЛНИ системи.
    

11. 
    ГРАВИТАЦИЯ ИЗКРИВЕНО ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЕ
    

12. 
    „Веществото казва на пространството как да се изкриви, а пространството казва на веществото как да се движи.” Уийлър
    

13. 
    Теория на Нютон за гравитацията е граничен случай на Теорията на относителността на Айнщайн
    

14. 
    ИЗТОЧНИЦИ НА ГРАВИТАЦИОННИ ВЪЛНИ
    

Айнщайн доказва, че всички тела според масата си, движещи се ускорително, произвеждат вибрации във време-пространството или гравитационни вълни. Тези смущения обаче са твърде слаби при тела като планетите и дори звездите, но би трябвало да могат да се детектират в случай на близки масивни остатъци от звездната еволюция като двойка от бели джудже, неутронни звезди или черни дупки.

15. 
    ТЯСНА ЗВЕЗДНА СИСТЕМА
    

Звездата НМ от Рак ее от 21 зв.в. и е тясна система от бели джуджета на 16 000 св. г от нас с удивително малък период на пулсации в рентгена от 5,4 минути. двете компоненти са на разстояние една от друга само 3 земни диаметъра, а масата на бялото джудже е от порядъка на четвърт от слънчевата, на другата звезда – половина от слънчевата маса. Двойният пик в линията на йонизирания хелий сочи за наличие на материя, изтичаща от по-малко масивната компонента. Вероятно тази толкова тясна звездна система е източник на гравитационни вълни и подлежи на изследване на Лазерните детектори на такива вълни.

16. 
    НЕУТРОННИ ЗВЕЗДИ
    

Австралийски астрономи потвърдиха, че на повърхността на неутронните звезди могат да съществуват устойчиви планини, които при въртенето на звездата трябва да генерират гравитационни вълни. С помощта на компютърно моделиране астрономите показаха, че неенородностите, възникващи на повърхността на неутронната звезда, които привличат материята от обикновената зевзда-компаньон, могат да се окажат устойчиви. Поради въздействието на магнитното поле на неутронната звезда, на нейните магнитни полюси могат да се образуват планини с височина от 10 см до метър и основа до 3 км, способни да противостоят на гравитацията. Тъй като магнитните полюси на звездата не съвпадат с оста на въртене обикновено, планината ще циркулира при въртенето на звездата и поради огромната си маса, ще поражда гравитационни вълни.

17. 
    ГРАВИТАЦИОННИ ВЪЛНИ
    

Всъщност, всяко тяло, движещо около по-масивно тяло губи енергия в резултат на “набръчкване” на пространство-времето и възникналите гравитационни вълни.

Земята, движейки се по орбита около Слънцето също създава гравитационни вълни, които се разпространяват в пространството и постоянно отнасят енергията й на движение /кинетичната енергия/. Ефектът от загуба на енергия води до постоянна промяна на земната орбита – тя все повече се стеснява и доближава до Слънцето. Земята е обречена да падне върху Слънцето.

Скоростта на загуба на енергия в случая със Земята обаче е твърде малка – колкото на малък електронагревател. Земята ще се сблъска със Слънцето след 10*27 години, когато нито Земя, нито Слънце ще има. Еволюционното им развитие ще приключи много преди момента на фаталния им гравитационен сблъсък.

18. 
    ПРОСТРАНСТВОТО ОКОЛО ЧЕРНА ДУПКА
    

Тук не става дума за излъчване на самата черна дупка, а за характерно поведение на частиците, попаднали в хватката на гравитацията от околното пространство.

Веществото, попадащо към хоризонта на събитията се завихря в акреционен диск, ускорявайки се все повече по спираловидна траектория към хоризонта на събитията. Частиците излъчват рентгенови лъчи и източниците на такива лъчи отдавна са заподозрени за евентуални черни дупки. Характерни са и джетовете – потоците изхвърлящо се вещество от околността на черната дупка по оста на въртене. Ако наблюдателят е по направление на тази ос, той ще вижда мощен източник на гама-излъчване.

19. 
    Айнщайн не допускал че някога ще бъдат детектирани гравитационните вълни, но това вече е факт.
    

Пулсарите или неутронните звезди в тясна система взаимодействат силно гравитационно и би трябвало да излъчват значително по-забележими гравитационни вълни. Към такива обекти, както и към тесни системи от неутронна звезда и черна дупка или две черни дупки е насочено вниманието за детектиране на такива вълни.Телата с огромни маси създават мощни гравитационни сили.

Загубата на енергия кара двойката да се сближава, да се върти все по-бързо и по-бързо, изкривявайки пространство-времето и пораждайки още по-мощни гравитационни вълни, докато най-накрая не се случи радикално преструктуриране на цялото гравитационно поле на двойката и масивни тела не се слеят в едно.

Това сливане ще бъде взрив с грандиозна мощност, но тази огромна енергия не е от светлина или частици материя, а деформация на пространството.

През 1974 г. Халс и Тейлър откриват първата двойна система от пулсари, намиращи се на няколкократно разстояние Земя-Луна и с размери от порядъка на 10-тина км – PSR 1913+16. Важно откритие за теорията на гравитацията е направено, когато в резултат на изследване след няколко години се оказва, че орбиталният период на системата намалява – двата пулсара забързват обиколките си един около друг. Промяната е само 1/75 000 000 сек за год, но е достатъчно убедително. Тази промяна говори в полза на преминаване на кинетичната енергия в гравитационна, съгласно предвижданията на Айнщайн от 1916 г. Това е първото индиректно доказателство за съществуването на гравитационни вълни.

Продължи строителството на детектори на гравитационни вълни, които единствени все още оставаха недоказани в Теорията на Айнщайн. Откритието представлява повратна точка за астрофизиците, които се опитват да докажат съществуването на гравитационни вълни от десетилетия. Счита се, че вълните се движат през космоса, като събират и разширяват тъканта на време-пространството.

20. 
    Наземните детектори са аналог на оптичен телескоп – те засичат и изучават къси вълни от порядъка на земните мащаби. Такъв е LIGO – Lazer Interferometer Gravitational Wave Observatory. Макар да е конструиран от учени от Калтех и Ем Ай Ти с американско финансиране, този детектор обединява учени от много страни – САЩ, Великобритания, Германия, Русия, Япония, Австралия, Индия и др.
    

22. 
    GEO 600 в Германия обслужва технически приемници на САЩ, а и тези приемници не са достатчно чувствителни
    

22. 
    Един наземен детектор има 4 тежки цилиндъра, изработвани първоначално от кварц, а по-късно от сапфир, които висят и се люлеят напред-назад при наличието на гравитационни вълни.
    

22. 
    Използва се лазерен лъч, за да се доловят разтяганията и усукванията на пространството, предизвикано от вълните. Тъй като тези движения се отчитат посредством светлинните интерференции от двете рамена – едно за разтягането, другото – за усукването, детекторък е наречен интерферометър.
    

22. 
    Гравитационните вълни бяха наблюдавани на 14-ти септември 2015 г.
    

22. 
    Преди милиард и триста милиона години вероятно две черни дупки със звездна маса – едната 36 пъти повече от слънчевата, а другата – 29 са се слели и днес долавяме последния им дъх.
    

22. 
    визуализация на процеса на сливане на черните дупки
    

22. 
    Наблюдението също така потвърждава първото откритие на черни дупки със средна маса. Обикновено звездните черни дупки са много по-малки, достигащи максимално 15 пъти по-голяма маса от тази на Слънцето. Наблюдаваните обекти са значително по-големи и се счита, че те са остатък от първите звезди във Вселената.
    

22. 
    Големият европейски телескоп VLT и многорежимният инструмент FORST1 помогнаха на учените да открият ембриони на галактики – сгъстявания на протовещество, намиращо се на разстояние повече от 10 млрд. св.г. , което се предполага, че е обвито от тъмна материя.
    

22. 
    обхвата от честоти на гравитационните вълни, достъпни за сегашните и бъдещи гравитационни детектори
    

22. 
    Стивън Хокинг и Уърнър Израел определят честотния диапазон на гравитационните вълни, които могат да бъдат регистрирани от 10/-7/ до 10¹¹ Херца.
    

22. 
    LISA - Lazer InterferometerSpace Antenna е гравитационен аналог на радиотелескоп: тя ще засича и анализира вълни с дължина, съизмерими с разстоянията Луна-Земя, Слънце-Луна, или по-големи
    

22. 
    Проектът на ESA и NASA през 2 000 г. и предполагаше изстрелването на 3 спътника, които да се разположат по върховете на триъгълник с дължина на раменете 5 млн. км за долавяне на най-нискочестотните гравитационни вълни, съответстващи на събития, случили се в ранните етапи от формирането на Вселената
    

22. 
    ESA премина на проек eLIZA – evolved Laser Interferometer Space Antenna Към 2034 г. планира извеждането на 3 спътника и създаването с тяхна помощ на интерферометър с дължина на рамото 1 млн. км.
    

Проектът заедно с американците започна още през 2 000 г. и предполагаше изстрелването на 3 спътника, които да се разположет по върховете на триъгълник с дължина на раменете 5 млн. км за долавяне на най-нискочестотните гравитационни вълни, съответстващи на събития, случили се в ранните етапи от формирането на Вселената. Поради съкращения във финансирането, през 2011 NASA се отказа от проекта, а ESA преразгледа проекта на eLIZA – evolved Laser Interferometer Space Antenna. Към 2034 г. планира извеждането на 3 спътника и създаването с тяхна помощ на интерферометър с дължина на рамото 1 млн. км.

22. 
    През декември 2015 г. бе изстрелян пилотния LISA Pathfinder.През март 2016 вече е в първата точка на Лагранж и започва да пробва принципната възможност за измерване с висока точност на разстоянията между две свободно плаващи в Космоса пробни маси
    

22. 
    Наскоро стана ясно, че Китай също смята да подготви проект за изучаване на гравитационните вълни от Космоса, наречен Taiji.
    

22. 
    В перспектива, с помощта на гравитационно-вълновите антени може с висока точност да се измери ускореното разширение на Вселената, да се оцени работоспособността на космологичните модели, да се открият космическите струни – едномерни дефекти в пространство-времето, възникнали след Големия взрив.
    

Това поставя началото на нова ера в астрофизиката и фундаменталната физика, дава нови "сетива" на човечеството да вижда и да изследва Вселената.