Stulecie fal grawitacyjnych. Polskie Towarzystwo Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej

Transkrypt

1 Andrzej Kułak Stulecie fal grawitacyjnych Polskie Towarzystwo Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej 24 listopada 2016

2 100 lat w 1915 r. Albert Einstein opublikował ogólną teorię względności w 1916 r. przewidział istnienie fal grawitacyjnych ich istnienie było bardzo trudne do eksperymentalnego potwierdzenia koncepcja fal wzbudzała także wątpliwości teoretyczne sam Einstein wątpił w fale grawitacyjne w różnych okresach życia długo dyskutowano czy są fizycznie wykrywalne impas przełamał Richard Feynman w 1955 r. Joseph Weber z Uniwersytetu Maryland podjął w 1968 r. próbę detekcji 12 lutego 2016 r. opublikowano pierwszy wynik bezpośredniej detekcji fal

3 Cztery podstawowe oddziaływania zasięg siła oddziaływania

4 Oddziaływania grawitacyjne / elektromagnetyczne prawo ciążenia Newtona prawo Coulomba przyciąganie mas ruch planet oddziaływania ładunków prądy - elektrotechnika

5 Podobieństwa i różnice prawo Newtona prawo Coulomba F = G m m 1 r 2 2 F = k q q r masy mogą być tylko dodatnie tylko przyciąganie obejmuje wszystkie cząstki najsłabsze oddziaływanie ładunki mogą być dodatnie i ujemne przyciąganie lub odpychanie tylko cząstki naładowane duże siły + - proton elektron siła elektryczna jest razy większa od siły grawitacyjnej

6 Jak szybko rozchodzą się siły? Isaac Newton prawo Coulomba prędkość nieskończona prędkość nieskończona (76 lat) (228 lat) 1861 James Clerk Maxwell siły rozchodzą się z prędkością światła 1915 Albert Einstein ogólna teoria względności

7 równania pola grawitacyjnego 17 prac w latach listopada 1915 prezentacja w Pruskiej Akademii Nauk 20 marca 1916 publikacja w Annalen Der Physik 54 strony

8 1916 jak doszło do powstania OTW Einstein był pod silnym wpływem platońskich wizji świata uważał że pomiędzy światem matematyki i fizyki istnieje ścisły związek mechanika Newtona nie mogłaby powstać bez geometrii Euklidesa Newton nie zastanawiał się nad statusem epistemologicznym geometrii E Kant wyraził pogląd, że geometria E stanowi prawdę syntetyczną a priori Gauss wątpiąc badał empirycznie sumy kątów w trójkącie Einstein był przekonany, że nowa teoria wymaga nowej geometrii nie było prawie żadnych faktów empirycznych żeby poprawiać teorię Newtona mechanika Newtona i ogólna teoria względności to różne geometrie OTW powstała jako nowa skończona konstrukcja, a nie uogólnienie Newtona Piękno Prostota Zgodność z Obserwacjami

9 1915 jak jest skonstruowana zastosował geometrię nieeuklidesową rozwiniętą wcześniej przez Riemanna ciążenia nie będziemy dłużej uważać za siłę cząstki / obiekty fizyczne poruszają się w 4D czasoprzestrzeni po najkrótszych trajektoriach (geodezyjnych) pierwsza zasada Newtona zamieniona na: ciało porusza się po geodezyjnej przyczyną zakrzywienia czasoprzestrzeni jest materia (tensor energii-pędu) 10 równań wiąże zakrzywienie czasoprzestrzeni z tensorem energii - pędu ruch ciał zmiany zakrzywienia ruch ciał grawitacja jest nieliniowa w układzie związanym ze spadkiem swobodnym grawitacja znika

10 Komu były potrzebne fale elektromagnetyczne w 1861 r.? prawo Coulomba ε ogniwo Volty prawo Ampera µ prawo Faradaya (najbardziej pokraczne prawo fizyki) 1847 Helmholtz prawa Ampera i Faradaya są ze sobą ściśle powiązane 1854 koniec rozwoju elektrodynamiki ostateczna teoria Webera F 2 1 q 1q r dv 1 v = πε 0 r c dt 2 c c = ε 1 0 µ 0 stała przeliczeniowa 1861 James Clerk Maxwell prąd przesunięcia c = ε 1 0 µ 0 prędkość światła równania różniczkowe dla pól E i H

11 Fale grawitacyjne / Fale elektromagnetyczne 1915 Albert Einstein 1861 James Clerk Maxwell ogólna teoria względności równania Maxwella fale grawitacyjne fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością światła

12 1916 fale grawitacyjne 22 czerwca 1916

13 Potwierdzenia zjawisk fizycznych przewidywanych przez OTW ruch peryhelium orbity planety 1916 A. Einstein - wyjaśnił ruch Merkurego ugięcie sygnałów świetlnych w pobliżu dużych mas 1919 A. Eddington obserwacja zaćmienia Słońca w Afryce rozszerzający się / kurczący się Wszechświat 1922 / 1927 A. Friedman teoria / E. Hubble obserwacje poczerwienienie fotonów wydostających się z pola grawitacyjnego planety 1960 R. Pound, G. Rebka poczerwienienie fotonów efekt Lense -Thirringa wleczenie układów inercjalnych 2012 eksperyment satelitarny Gravity Probe B istnienie fal grawitacyjnych

14 1916 Einstein wyjaśnia ruch peryhelium orbity Merkurego ruch peryhelium orbity planety α = GMm 6π cl 2 wyliczony z Newtona 527 s / 100 lat obserwowany 565 s / 100 lat nadwyżka 38 s / 100 lat efekt relatywistyczny 38 s / 100 lat Przez kilka dni nie mogłem dojść do siebie z powodu radosnego podniecenia (z listu do przyjaciela, Paula Ehrenfesta)

15 1919 ekspedycja Eddingtona potwierdza efekt Einsteina ugięcie sygnałów świetlnych w pobliżu dużych mas obserwacja zaćmienia Słońca w Afryce ϕ = 4GM c 2 R zmodyfikowana teoria Newtona foton jako cząstka 0.87 OTW zakrzywienie trajektorii fali 1.74

16 1922 A. Friedman przewiduje ekspansję Wszechświata rozwiązania równań Einsteina otwiera nową kosmologię v = H r C. Flammarion E. Hubble odkrycie ekspansji

17 1960 R. Pound i G. Rebka potwierdzają wpływ pola G na fotony źródło fotonów gamma 57 Fe różnica poziomów h = 22.5 m f = f f 0 = f 0 f 0 gh c 2 dzisiaj zegary atomowe Glen Rebka - Harvard University

18 2004 / 2012 efekt Lense-Thirringa z 1918 r. potwierdzony wleczenie układów inercjalnych wokół rotującej masy 31 milisekund na rok satelity LAGOS 10 % dokładność Newton Einstein eksperyment satelitarny precesja żyroskopu na orbicie satelita Gravity Probe B 1 % dokładność (składowa magnetyczna pola G) zarówno pole magnetyczne H jak i pole L-T są efektami relatywistycznymi

19 Jak powstają fale? ogólna teoria względności fale grawitacyjne równania Maxwella fale elektromagnetyczne przyspieszony ruch mas tylko kwadrupolowe bardzo mała efektywność źródła naturalne ruch gwiazd w układzie podwójnym przyspieszony ruch ładunków dipolowe lub kwadrupolowe bardzo duża efektywność możliwy eksperyment laboratoryjny ruch ładunków w przewodach 1885 H. Hertz - eksperyment

20 Elementarne źródła fal fale grawitacyjne kwadrupol fale elektromagnetyczne dipol / kwadrupol m m +q -q G P I ω P p ω 3 3 c c 1 r drgania czasoprzestrzeni bezwymiarowa amplituda h pole elektromagnetyczne amplitudy pola E i H

21 Natura fali grawitacyjnej deformacja czasoprzestrzeni

22 Czy detekcja fal grawitacyjnych jest możliwa? przez lata dyskutowano jakie mogą być skutki fizyczne oddziaływania fali większość fizyków wykazywała sceptycyzm co do możliwości detekcji wielu z nich przekonał eksperyment myślowy Feynmana w 1955 roku Detektor grawitacyjny Feynmana: Weź dwie kulki swobodnie przesuwane (ale z małym tarciem) na sztywnym pręcie. Jeżeli fala przechodzi przez pręt i siły atomowe przeciwstawiają się zmianom jego długości, odległość pomiędzy prawie swobodnymi kulkami zmienia się. Tak więc koraliki ocierają o pręt, wydzielając ciepło. sceptycyzm wśród niektórych badaczy pozostał do dziś

23 Oddziaływanie fal z materią fale grawitacyjne fale elektromagnetyczne drgania czasoprzestrzeni wektory pola E i H m m +q -q zmiana odległości pomiędzy masami / ładunkami jeżeli pomiędzy nimi jest sprężyna - powstaną siły rozciąganie i zgniatanie na przemian

24 Jak zbudować najprostszą odbiorczą antenę grawitacyjną? efekt działania fali zmiana odległości l = l h l l =1 m h = amplituda fali l = m 1965 Joseph Weber pierwszy pomysł detekcji cylinder metalowy rezonator akustyczny pobudzany falą grawitacyjną granicę detekcji wyznacza szum termiczny

25 1969 antena J. Webera T = 300 K l = 2 m m = 1500 kg Q = 10 6 f = 1660 Hz l = m h =

26 Anteny mechaniczne w latach siedemdziesiątych w 1972 Weber ogłosił że prawie codziennie obserwuje impulsy grawitacyjne tłumaczył je wybuchami supernowych w pobliskich galaktykach wkrótce podobną antenę zbudował fizyk Richard Garwin w ciągu 6 miesięcy odebrała ona tylko 1 impuls Garwin wytknął Weberowi złe oszacowanie częstości sygnałów astro inny fizyk David Douglass wykrył błąd w oprogramowaniu Webera w 1972 w Instytucie Maxa Plancka zbudowano kolejną antenę ona również nic nie odbierała do roku 1980 powstały dalsze anteny mechaniczne w kilku krajach brak wyników zrodził impas w badaniach fal grawitacyjnych

27 1971 koncepcja anteny grawitacyjna na swobodnych masach pomysł - G. E. Moss, J. R. Miller, R. J. Forward l zastosować swobodne oddalone od siebie lustra prowadzić pomiar odległości przy pomocy światła

28 1977 inne rozwiązania fotony krążą w falowodzie kołowym - + T g 2 - T r 4 + gdy Tr 2T g f = 2 =, czyli oddziaływanie rezonansowe g f r kumuluje się zmiana energii (częstotliwości fotonów) ψ =h ω e τ τ równanie dewiacji fazy czas obserwacji (< czasu życia fotonów)

29 1977 detektor EM jest detektorem superheterodynowym f e f g f i sprzęgacze kierunkowe radiometr interferometr f = f ± i e f g częstotliwość sygnału na wyjściu interferometru ε = ε ψ 2 0 energia detekcyjna ε τ h ω e granicę detekcji wyznacza szum termiczny daje szansę na realizację eksperymentu Hertza

30 1982 nieoczekiwane odkrycie fal grawitacyjnych w nadajniku 1974 R. Hulse, J. Taylor - odkrycie podwójnego pulsara PSR bardzo ciasny układ okres obiegu 7.75 godzin siła radiacyjna promieniowania 7 v F c ruch orbitalny przyspiesza efekt zgodny z OTW jednak fale grawitacyjne istnieją

31 1991 postęp w detektorach mechanicznych projekt Allegro Louisiana State University l = 3 m m = 2300 kg Q = 10 7 f = 900 Hz l = m h = T = 4.2 K

32 2001 granice detekcji mechanicznej - detektor Nautilius / Frascati T = 0.1 K A = 260 db l = 3 m m = 2300 kg Q = 10 8 f = 908 / 924 Hz l = m h =

33 Rozwój fizyki pomiaru małych sił koncepcja stroboskopowego pomiaru oscylatora V. Braginsky, K. Thorne ok Quantum Nondemolition Measurement - QND niezależnie powstały koncepcje idealnego detektora fazy n ψ 1 idealny detektor fazy ψ = 1 n 1 ψ = ψ = 0 n B. R. Johnson, et al. Quantum non-demolition detection of single microwave photons in a circuit. Nature Physics. Advance Online Publication. DOI: /NPHYS1710

34 1992 początek projektu LIGO uniwersytety CALTECH i MIT koncepcja - zastosowanie interferometru Michelsona 2 detektory oddalone od siebie na odległość 3000 km lustra jako swobodne masy specjalne systemy zawieszeń laser jako źródło światła tunele próżniowe l=4000 m

35 Interferometr Alberta Michelsona zapewnia niezwykle precyzyjny pomiar różnic odległości luster 1887 A. Michelson, E. Morley eksperyment wykluczenia eteru 1907 nagroda Nobla (koncepcja optycznego wzorca metra)

36 Położenie detektorów LIGO - Hanford i Livingston Hanford, Washington 3000 km / 10 ms Livingston, Louisiana

37 Przebieg projektu LIGO 1992 początek projektu detektor w małej skali - eksperymenty laserowe 1996 rozpoczęcie budowy 2000 koniec budowy testy techniczne 2002 pierwsze próby detekcji fal grawitacyjnych 2008 brak sukcesu - decyzja o koniecznym udoskonaleniu LIGO 2015 zakończenie prac - czułość 10 razy większa września - pierwszy test i pierwsza detekcja fali grawitacyjnej 1300 fizyków i inżynierów z wielu krajów 300 europejczyków od 1993 równoległy projekt Virgo 15 osób z Polski

38 Pokonane problemy techniczne piętrzące się przed eksperymentatorami zawieszenia mas tłumiące drgania sejsmiczne stworzenie niezwykle czystego spektralnie lasera budowa luster o doskonałości przekraczającej wszystkie osiągnięcia technika próżni w wielkich obiektach stworzenie wyrafinowanych metod analizy sygnałów osiągnięcia w każdej z tych dziedzin przyczyniły się do rozwoju techniki

39 Obecny stan detektora LIGO ϕ n > 1 ϕ > 1 2 n λ 1 l > 4π n ϕ = 2π l λ λ e = 1064 [nm] Nd:YAG

40 Graniczne amplitudy fal grawitacyjnych możliwe do wykrycia przez LIGO h l = 4000 m l = m h = λ h > 8π 1 n

41 Ogólny widok detektora LIGO w Hanford

42 Ogólny widok detektora LIGO w Livingston

43 Budynki bloku lasera i interferometru w Livingston

44 Dzieła sztuki inżynierskiej - kanały próżniowe promienia laserowego

45 Dzieła sztuki inżynierskiej - systemy zawieszeń mas próbnych drgania sejsmiczne są tłumione razy

46 Dzieła sztuki idealne lustra światło odbite nie traci więcej niż 1/5000 energii

47 Lustra

48 Lustra

49 12 luty uroczyste konferencje historyczny komunikat równoległe konferencje prasowe w Waszyngtonie, Pizie i Warszawie komunikat ogłoszono równocześnie o godz. 15:30 UT

50 12 luty 2016 publikacja 1300 autorów

51 Odebrany 14 września 2015 sygnał grawitacyjny

52 Co wytworzyło zarejestrowaną falę grawitacyjną? odległość 410 Mps = 1340 lat świetlnych masy czarnych dziur 36 i 29 mas Słońca masa czarnej dziury po połączeniu 62 masy Słońca wypromieniowana energia E = 3 M o c 2 chwilowa moc 100 była razy większa niż wszystkich źródeł

53 Analiza spektralna przebiegów

54 Fala grawitacyjna emitowana przez ruch gwiazd w układzie podwójnym

55 Akcent polski w badaniach fal grawitacyjnych 15 osób z Polski tworzy konsorcjum naukowe POLGRAW kierownikiem zespołu jest prof. Andrzej Królak z Instytutu Matematyki PAN w Warszawie współpraca obejmuje zespoły LIGO i VIRGO są współautorami odkrycia w projekcie LIGO również Kraków ma pewien wkład pracujący na AGH i UJ Zespół Fal ELF wspomagał zespól LIGO w dziedzinie weryfikacji wpływu ziemskich fal elektromagnetycznych zakłócających detektory

56 Położenie polskiej stacji Hugo względem detektorów LIGO Hanford, Washington ELF / 1540 km / 6 ms GW / 3000 km / 10 ms Hugo ELF / 1505 km / 6 ms Livingston, Louisiana

57 Nasza weryfikacja wpływu impulsów pola ELF

58 Czystość relatywistyczna przełomowej obserwacji to nie tylko pierwsza bezpośrednia detekcja fali grawitacyjnej ale także pierwszy dowód na istnienie podwójnych czarnych dziur oraz relatywistycznej ewolucji ich układów, aż do połączenia oraz sprawdzenia formuł na promieniowanie grawitacyjne wszystkie te fenomeny fizyczne wynikły z ogólnej teorii względności to wydarzenie niezwykle się zbiegło z 100 rocznicą publikacji Einsteina

59 Po co odkryto te fale? eksperyment LIGO pochłonął dotąd ok. 1.1 mld USD / 40 lat czy jest z tego jakaś korzyść? w takich przypadkach najlepiej przytaczać opinię Richarda Feynmana: «fizyka jest jak seks: oczywiście, że może dawać jakieś praktyczne rezultaty, ale nie z tego powodu się nią zajmujemy».

60 Dziękuję za uwagę

61 Druga detekcja fal grawitacyjnych w LIGO interferometr działał od 12 września 2015 do 19 stycznia 2016 pierwsza detekcja GW miała miejsce 14 września 2015 druga GW grudnia 2015 masy czarnych dziur 14 i 8 mas Słońca masa czarnej dziury po połączeniu 21 masy Słońca wypromieniowana energia E = 1 M o c 2 następny cykl zbierania danych rozpocznie się wkrótce