Абсурд и гравитационные волны [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой.
[музыка]
1 миллиард 300 миллионов лет назад в далекой-далекой галактике произошло слияние двух черных дыр, прощаясь с бешеной скоростью навстречу друг другу. И они вызвали искажения в полотне пространства-времени, кавитационные волны. Финальные 100 миллисекунд этого события высвободили в 50 раз больше энергии, чем все остальные объекты в обозримой вселенной вместе. Такое количество энергии повергает в трепет. Волны распространялись по вселенной со скоростью света и спустя миллиард лет наконец достигли Земли, выжимая и растягивая пространство, так что разность хода двух лучей света в перпендикулярных трубках арт легко нарушил. Это и был момент, когда люди впервые обнаружили гравитационные волны.
[музыка]
Даже на словах звучит не просто, но после моего разговора с профессором Рана от Хикари из Калифорнийского института, я понял, что они не отражают, насколько абсурдно вообще вся эта затея. Работа с гравитационными волнами полна абсурда. Фф. И это все, это гравитационные волны. Очень тяжело обнаружить, главным образом из-за размера. Они сжимают и растягивают пространство на 10 в минус 21 метра. Это все равно что измерять расстояние отсюда до Альфа Центавра с точностью до 8 10 микрометров. Эта ширина человеческого волоса. Тебе, ту бы такое отклонение стало заметно.
Измерять нужно на очень больших расстояниях, и поэтому длина рукавов интерферометров составляет 4 километра. Но даже несмотря на это, гравитационные волны меняют длину рукавов как максимум на 10 в минус 18 метров. Суть в том, что детектор должен улавливать изменения в одну десятитысячную диаметра протона. Это самая высокоточная система в истории.
Как это возможно, учитывая все источники вибрации и шума от землетрясений, транспорта, грозовых разрядов? Во-первых, вам понадобятся самые гладкие зеркала в мире. Их масса 40 килограммов, и они подвешены на нитях из кварцевого волокна с толщиной в два волоска из ада, который гасит колебания внешней среды. И все же, чтобы быть уверенным до конца, система включает в себя два интерферометра на значительном удалении друг от друга от источников помех.
Таким образом, посторонние шумы будут появляться в данных только 1 обсерватории. Гравитационные волны пройдут через обе почти одновременно. А я нахожусь в здании, где в масштабе 1 к 100 построен лига ректор гравитационных волн. Да, еще одна важная деталь: лазер воу. Воу, много всего. Да, и луч лазера должен состоять из волн строго одной длины. Виллы. Ну, конечно, ведь если длина волны меняется, а вы используете ее для измерения интерференции света, ничего у вас не выйдет.
Как если бы вы пытались измерить какой-то отрезок, а ваша линейка постоянно меняла длину. Как с таким работать? Все оборудование, как минимум, три четверти всего, что вы видите, нужно для того, чтобы стабилизировать лазер. На данный момент мы добились отклонения длины волны на 1 на 10 в 20. Сколько это? 1 на 100 миллионов на триллион. А я пока это наш рекорд.
Конкретно здесь используют лазер с длиной волны 1064 нанометра, инфракрасный свет. Но есть одна проблема: как измерить отклонение на 10 в минус 18, если длина волны 10 в минус 6? Именно вот побольше бы таких вопросов.
Анимации хорошо видно смещение самих волн, но в действительности и длина рукавов shell меняется на одну триллионную длину волны. И так разницу в половину длинной волны измерить легко будет интерференции. Да, это легко: есть сигнал, нет сигнала. То есть вы смотрите на то, насколько он стал чуть сильнее или чуть слабее. Да, и то, что мы можем регистрировать эти слабые изменения яркости связано с дискретной природой и света и phone with летит частями, то есть фотонами.
Да, и за квантование определенности вариация в количестве фотонов, падающих у зеркала, и рационально квадратному корню от общего числа фотонов. А значит, чем больше фотонов, тем меньше неопределенность. Это доля от общего числа ауру. Поэтому мощность лазера в к вах 1 мегаватт. Энергии одного такого луча хватило бы, чтобы питать электричеством тысячу домов. Мегаватт — это типа бум! Вам даже не оторвёт голову, она испарится, только дымок останется.
На же с идеальным лазером и мощностью 1 мегаватт лет все равно будет взаимодействовать с любым препятствием. Раз воздух. Этому в рукавах поддерживается вакуум. На то, чтобы откачать воздух до одной триллионной атмосферного давления, ушло 40 дней, чтобы удалить остаточные газы. Трубы нагрели до температуры духовки. Откачанного воздуха хватит, чтобы надуть два с половиной миллиона футбольных мячей. Мега то второй по величине вакуум после большого адронного коллайдера.
Обычно люди об этом не задумываются. В эти гравитационные волны, растягивая пространство-время, также должны растягивать и свет. И если растягивается всё, как понять, что что-то растянулась? Как это понять? То это проблема. Мы занимаемся ерундой, деньги на ветер, закрывайте лавочку.
Допустим, я запускаю лучше лазера и жду, пока он вернется. А потом говорю: "Ну и что, пространство растянулась, а вместе с ним и длина волны растянулась, или нет, никакой разницы, бессмыслица". Тут главное все делать в нужный момент. И мал луч света проходит по трубе, отражается и возвращается обратно очень быстро. Но когда волна, гравитационная волна приходит, она идет так плавно. Замену я озвучивал, и либо не очень. Редкие всего 100 раз в секунду.
Они ты действительно, когда приходит волна, свет в трубе растягивается. На этом этапе измерение не происходит. Но теперь пространство растянуто. Этот пучок лазера пришел и ушел, его уже там нет. Но лазер работает постоянно, и уже новый свет проходит большее расстояние, чем предыдущий пучок. И наблюдая, как интерференция меняется во времени, при том, что длина волны, которую испускает лазер, всегда одинаковая, мы проводим измерение.
Не так, что в итоге нужно, чтобы обнаружить гравитационные волны: лазер мощностью 1 мегаватт, чтобы не мешали посторонние воздействия, жрец постоянной длины волны. Ведь мы измеряем с точностью до одной триллионной. Ком! Беспрерывный поток фотонов, чтобы новые заменяли те, что были растянуты сквозь. И нарая по величине вакуумная камера с давлением в одну триллионную атмосфера. И ривера, гладкие зеркала подвешены на кварцевых нитях.
Или к thwaite сразу две площадки для фильтрации шумов и четырехкилометровой рукава, чтобы гравитационные волны и растянули их хотя бы на одну тысячную диаметра протон. Я вам так скажу: то, что мы сейчас здесь делаем каждый день — ещё 20 лет назад я бы сказал, что это просто невозможно.
А еще я узнал, что единственное, что на данный момент ограничивает чувствительность детекторов — это квантовая механика. Вспомните принцип неопределенности Гейзенберга: когда есть две вещи, неопределенности вместе должно быть больше определенной величины. Вашу счастью тут мы измеряем только одну величину. Мы не пытаемся измерить две одновременно. Мы только хотим узнать, насколько этот рукав растянулся больше другого. И этого достаточно.
Многим приходилось это объяснять. Эти системы специально создаются для точного измерения одного показателя. Всё! Квантовая неопределенность остается в другом параметре, который нам не интересен. У меня ощущение, что мы приближаемся к тем первоосновам, которые природа не хочет нам открывать. Наша изобретательность позволяет нам справиться с квантовыми эффектами. Это потрясающе!
Я с нетерпением жду новых результатов. Думаю, теперь, когда мы поймали два сигнала, следующим шагом будет найти все сигналы от всех черных дыр. И это не технологии за гранью фантастики. Льда предстоит много работы, но я вполне могу себе такое представить в обозримом будущем.
[музыка]
Переведено и озвучено студией Вверх Дайвер.