Кампутарная мадэляванне дзвюх чорных дзірак, якія зліваюцца, ствараючы гравітацыйныя хвалі.

Як Рычард Фейнман пераконваў "Найсейраў" 60 гадоў таму, што гравітацыйныя хвалі сапраўдныя

Нават пасля смерці Эйнштэйна фізікі інтэнсіўна абмяркоўвалі, былі яны сапраўднымі ці не. Вось як гэта ўрэгуляваў Фейнман.

"Калі вы не знайшлі што-небудзь дзіўнае ў гэты дзень, прайшло ўжо шмат дзён." -Джон Арчыбальд Уілер

Сутыкнуўшыся з тэарэтычным пытаннем, напрыклад, ці існуюць гравітацыйныя хвалі ці не, Рычард Фейнман ніколі не давяраў уладам. Ён, хутчэй, спрабаваў распрацаваць і пераканаць рашэнне самым простым спосабам, пабудаваўшы аргумент з першых прынцыпаў. Пасля таго, як яму ўдалося пабудаваць справу для канкрэтнага пункту гледжання ў сваім розуме, ён адчуваў сябе гатовым пераканаць іншых. На першай амерыканскай канферэнцыі па агульнай адноснасці GR1, якая адбылася ў Chapel Hill у студзені 1957 г., Фейнман прапанаваў бліскучы аргумент, што гравітацыйныя хвалі павінны несці энергію. Аргумент, чаканы амаль шэсцьдзесят гадоў, адкрыты ў лютым 2016 года лазерным інтэрферометрам гравітацыйна-хвалевай абсерваторыі (LIGO), які пацвердзіў рэальнасць гравітацыйных хваль.

LIGO навуковая калабарацыя, каманда камунікацый і адукацыі IPAC: тэарэтычна выпраменьваецца хвалі з дзвюх зліваюцца, натхняюць масы.

Як у свеце апынуўся Фейнман на агульнай канферэнцыі адноснасці? Хіба ён не пагрузіўся ў квантавую электрадынаміку (QED) і свет фізікі часціц? Праўда, гэта былі яго асноўныя сферы, прызнаныя яго Нобелеўскай прэміяй і іншымі ўзнагародамі, але, як і многія іншыя геніяльныя мысляры, ён меў шырокія інтарэсы.

Каб зразумець, чаму Фейнмана запрасілі, мы звяртаемся да ключавых арганізатараў канферэнцыі: французска-амерыканскага фізіка-матэматыка Сесіль Дэвіт-Морэтт і яе мужа амерыканскага тэарэтыка поля Брайса ДэВіта, якія кожны з іх шанавалі павагу да незалежнасці мыслення Фейнмана. Мы таксама разглядаем ролю галоўнай сілы за кулісамі, фізіка Прынстана Джона Арчыбальда Уілера, які запрасіў многіх выступоўцаў канферэнцыі.

Калтэх: Рычард Фейнман, прыблізна ва ўзросце, які ён быў падчас канферэнцыі 1957 года.

Сувязь Дэвіт-Морэта з Фейнманам прыпала на канец 1940-х гадоў, калі яна наведала яго (разам з Фрыманам Дайсанам) у Карнэле, абмеркавала яго інтэгральны падыход да квантавай механікі і прыняла меры, каб зрабіць яго матэматычна больш строгім. Яе муж Брайс быў студэнтам Джуліяна Швінгера, сумеснага распрацоўшчыка КЭД, разам з Фейнманам, і спрабаваў пабудаваць "квантавую гравідынаміку:" квантавую тэорыю гравітацыі. Заданне аказалася куды больш хітрым, чым ён думаў.

Нарэшце, Уілер быў кандыдатам кандыдатаў навук Фейнмана ў Прынстане. У той час як ён не быў адным з галоўных арганізатараў канферэнцыі, ён быў вельмі паважаны і ў яго квітнеючай гравітацыйнай даследчай групе. Такім чынам, яму далі карт-бланш, каб прыцягнуць на канферэнцыю столькі студэнтаў і былых студэнтаў, колькі ён пажадаў. У яго лік уваходзілі Джозэф Вэбер, які моцна цікавіўся гравітацыйнымі хвалямі, і Чарльз Міснер, які, як і Брайс ДэВіт, спрабаваў перарабіць агульную адноснасць, каб зрабіць гэта больш прыязным квантавай прыродзе Сусвету. Уілер таксама запрасіў Фейнмана, калі ён ацаніў уклад Фейнмана як аўтсайдара на поле. Ён выказаў надзею, што незразумелыя факты і веды ФЭН дадуць магчымасць яму прапанаваць смелыя прапановы па тым, як вывесці электрамагнітныя і гравітацыйныя тэорыі пад адзін і той жа квантавы парасон.

Калі Фейнман прыбыў у аэрапорт Ролі-Дарэм, бліжэйшы да Чапел-Хіл, ён не ведаў, які з рэгіянальных універсітэтаў з назвай "Паўночная Караліна" прымае канферэнцыю. Гэта быў штат Паўночная Караліна альбо універсітэт Паўночнай Караліны? На шчасце, забраніраваўшы таксі, ён прыдумаў план. Ён спытаў дыспетчара, ці заўважыў ён хто-небудзь пагружаны ў думкі і мармытанне выразаў, такіх як "g mu nu" (тэрмін з агульнай адноснасці). Дыспетчар сапраўды зрабіў, узгадаў, у які кампус яны збіраюцца, і павёз Фейнмана ў тое ж месца.

Малюнак: ESO / L. Кальчада, пульсар, які круціцца вакол бінарнай кампаньёна, і гравітацыйныя хвалі (ці пульсацыі) у прасторы-часу, якія вынікаюць у выніку.

Тэма гравітацыйных хваль, якая займае асноўную ўвагу канферэнцыі, узыходзіць да разлікаў Альберта Эйнштэйна ў 1916 годзе, калі ён уваходзіў у адзін з яго самых ранніх прац аб агульнай адноснасці. Эйнштэйн і яго памочнік Натан Розен перагледзелі гэтую тэму ў артыкуле 1936 г. "Ці існуюць гравітацыйныя хвалі?" дзе яны разглядалі тып раствора, які валодаў цыліндрычнай сіметрыяй, як бляшаная бляшанка. Першапачаткова яны падлічылі, што хвалі былі артэфактамі матэматычнай асновы і на самой справе фізічна не існуюць - падобна нулявай адзнацы на метровай палкі, якая не мае ніякага адчувальнага сэнсу, бо зрушэнне яе проста робіць яшчэ адзін нуль. Аднак, калі яны падалі дакумент у «Фізічны агляд», яго адхілілі на падставе ананімнага рэферата суддзі - фізіка Прынстана і матэматыка Говарда Персі Робертсана («R» у FLRW), як мы ведаем - што ўказала на памылку. Засмучаны адмовай, Эйнштэйн вырашыў зноў адправіць яго ў часопіс Франклінскага інстытута. Не дапусціўшы, каб ён быў рэцэнзентам, Робертсану ўдалося данесці да Эйнштэйна спосаб выпраўлення памылкі - які ўрэшце паказваў на фізічна рэальныя цыліндрычныя гравітацыйныя хвалі. Эйнштэйн выправіў прадстаўленне. Такім чынам, канчатковая версія дакумента прадказала сапраўднае гравітацыйнае выпраменьванне, якое рухаецца праз космас, падобнае на электрамагнітнае выпраменьванне.

Тым не менш, Розен застаўся сумніўным. Ён распрацаваў аргумент супраць гравітацыйных хваль, якія нясуць энергію, на аснове разлікаў з выкарыстаннем таго, што называюць "энергетычным псеўданасычальнікам:" спрэчным спосабам адлюстравання гравітацыйнай энергіі лакальнай прасторы космасу. Гэты метад супярэчлівы, бо простая змена сістэмы каардынат змяняе яго прагназаванне. Розен прыкладваў яго да цыліндрычных хваль, якія рухаліся па пустым прасторы, і паказваў, што іх энергія была роўнай нулю ў кожнай кропцы. Толькі месцы з рэальнай масай ці энергіяй, здавалася, валодаюць гравітацыйнай энергіяй. Усюды, напрыклад, міжзоркавая пустэча, гравітацыйная энергія знікла; значыць, не можа быць сапраўднага гравітацыйнага выпраменьвання, якое рухаецца па ім. Пасля таго, як Эйнштэйн памёр у 1955 годзе, Розен працягваў пярэчыць супраць фізічнай сілы гравітацыйных хваль.

Крэдыт на малюнак: Еўрапейская гравітацыйная абсерваторыя, Lionel BRET / EUROLIOS.

Пакуль Розен не прысутнічаў на канферэнцыі Chapel Hill, быў прачытаны яго дакумент і абмеркаваны яго ідэі аб гравітацыйных хвалях. Уілер, Вебер, брытанскі фізік Фелікс Пірані, англа-аўстрыйскі матэматык Герман Бондзі і іншыя змагаліся з пытаннем рэчаіснасці гравітацыйнага выпраменьвання і як вымераць энергію, якую ён перадаваў. У якасці адной з асноўных тэм канферэнцыі распрацоўвалася квантавая тэорыя гравітацыі, многія бачылі правільнае апісанне гравітацыйных хваль як крытычна важных для гэтага заняткаў. У рэшце рэшт, калі фотаны ўяўляюць сабой квантаваную форму электрамагнітнага выпраменьвання, гравітоны (выкарыстоўваючы сучаснае слова) будуць квантаванай версіяй гравітацыйнага эквівалента, які павінен быць аднолькава добра зразуметы класічна перад спробамі квантавых правілаў.

Калі ласка, увядзіце Рычарда Файнмана, які меў незадавальненне ад лішняй абстракцыі. Калі гравітацыйнае выпраменьванне рэальна, яно павінна перадаваць энергію. Замест таго, каб абмяркоўваць тэхнічнае пытанне аб правільнасці вызначэння гравітацыйнай энергіі псеўданагляду, ці не, ён звярнуўся да куды больш інтуітыўнай развагі, якая стала вядомай як "аргумент ліпкага шарыка".

П. Гальперн

Аргумент Фейнмана заключаецца ў тым, што гравітацыйныя хвалі будуць рухаць масы, гэтак жа, як электрамагнітныя хвалі рухаліся зарадамі ўздоўж антэны. Гэта лягло ў аснову дызайну LIGO.

У сваім разважальным эксперыменце Фейнман уявіў сабе тонкую палачку, на якой замацавана адна маса, а другая маса, злёгку аддзеленая ад першай, можа слізгаць туды-сюды, як фіранка на стрыжні. Гэтыя дзве масы будуць аналагічныя пары зарадаў, убудаваных у вертыкальную прыёмную антэну, якая выкарыстоўваецца для прыёму радыёсігналаў. Гэтак жа, як імпульс электрамагнітнага выпраменьвання выкліча ваганне такіх зарадаў, тое ж самае будзе адбывацца і ў "гравітацыйнай антэне", калі б гравітацыйная хваля прайшла праз яе - з максімальным эфектам, які ўзнікае, калі хваля была папярочнай: пад прамым вуглом да палкі. Пры ўдары гравітацыйнай хвалі адна з мас паскорыцца адносна іншай, слізгаючы наперад і назад па палцы. Рух трэння выкліча трэнне паміж свабоднай масай і палкай, вылучаючы цяпло ў гэтым працэсе. Таму гравітацыйнае выпраменьванне павінна перадаваць энергію. Інакш як інакш узнікла энергія?

Спецыяльныя калекцыі і ўніверсітэцкія архівы, бібліятэкі Універсітэта Мэрыленда: Джозэф Вебер са сваім радыяцыйным дэтэктарам гравітацыйных хваль, вядомы як бар Вебера.

Часткова натхнёны канферэнцыяй, Вебер пабудаваў гравітацыйную антэну (званую "Вебер-бар") ва ўніверсітэце штата Мэрыленд. Хоць, пачынаючы з канца 1960-х гадоў, ён сцвярджаў, што знайшоў усё больш доказаў гравітацыйных хваль, асноўная частка фізічнай супольнасці сумнявалася, што яго апарат дастаткова адчувальная, і ставіла пад сумнеў яго вынікі, не маючы магчымасці прайграць іх. Адчувальнасць бараў Вебера - і па велічыні хваль, і па частаце - здавалася, што наўрад ці дасць плённы вынік. Але праект LIGO, размешчаны ў лабараторыях-пабрацімах у Ганфардзе, Вашынгтоне і Лівінгстане, штат Луізіяна, адпаведна выкарыстаў інтэрферометры, спецыяльныя люстэркі і масы і значна большы апарат, каб значна павысіць адчувальнасць і надзейнасць эксперыменту.

Caltech / MIT / LIGO Лабараторыя: Абсерваторыя LIGO Hanford для выяўлення гравітацыйных хваль у штаце Вашынгтон, ЗША.

Фэйнман памёр у 1988 годзе пасля першапачатковага зачацця LIGO, але задоўга да таго, як ён упершыню вызначыў гравітацыйныя хвалі. Несумненна, ён быў бы задаволены, калі даведаўся, што яго дбайны эксперымент прадумаў шлях да неверагоднага адкрыцця энергетычных хваль, якія ён разважаў.

Пол Хальперн з'яўляецца аўтарам пятнаццаці навукова-папулярных кніг, у тым ліку "Квантовы лабірынт: як Рычард Фейнман і Джон Уілер рэвалюцыяніравалі час і рэальнасць".