polskie towarzystwo elektrotechniki teoretycznej i stosowanejptetis.agh.edu.pl/gw-ptetis_ak.pdf ·...
TRANSCRIPT
Andrzej KułakAndrzej Kułak
Stulecie fal grawitacyjnych
Polskie Towarzystwo Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej
24 listopada 2016
100 lat
w 1916 r. przewidział istnienie fal grawitacyjnych
ich istnienie było bardzo trudne do eksperymentalneg o potwierdzenia
koncepcja fal wzbudzała tak że wątpliwo ści teoretyczne
w 1915 r. Albert Einstein opublikował ogóln ą teori ę względno ści
sam Einstein w ątpił w fale grawitacyjne w ró żnych okresach życia
długo dyskutowano czy s ą fizycznie wykrywalne
impas przełamał Richard Feynman w 1955 r.
Joseph Weber z Uniwersytetu Maryland podj ął w 1968 r. prób ę detekcji
12 lutego 2016 r. opublikowano pierwszy wynik bezpo średniej detekcji fal
Cztery podstawowe oddziaływania
zasięg
siła oddziaływania
Oddziaływania grawitacyjne / elektromagnetyczne
1687 - prawo ci ążenia Newtona 1785 - prawo Coulomba
ruch planet
oddziaływania ładunkówprzyci ąganie mas
prądy - elektrotechnika
Podobieństwa i różnice
prawo Newtona
tylko przyci ąganie przyci ąganie lub odpychanie
prawo Coulomba
221
r
qqkF =
221
r
mmGF =
masy mog ą być tylko dodatnie ładunki mog ą być dodatnie i ujemne
najsłabsze oddziaływanie duże siły
obejmuje wszystkie cz ąstki tylko cz ąstki naładowane
proton elektron
siła elektryczna jest 10 36 razy wi ększa od siły grawitacyjnej
+ -
Jak szybko rozchodzą się siły?
1687 - Isaac Newton 1785 - prawo Coulomba
(76 lat)
prędko ść niesko ńczonaprędko ść niesko ńczona
1915 – Albert Einstein
1861 – James Clerk Maxwell(228 lat)
ogólna teoria wzgl ędno ści
siły rozchodz ą się z prędko ścią światła
1915 - równania pola grawitacyjnego
17 prac w latach 1912 - 1915
25 listopada 1915 – prezentacja w Pruskiej Akademii N auk
20 marca 1916 – publikacja w Annalen Der Physik – 54 strony
1916 – jak doszło do powstania OTW
Einstein był pod silnym wpływem plato ńskich wizji świata
uważał że pomi ędzy światem matematyki i fizyki istnieje ścisły zwi ązek
mechanika Newtona nie mogłaby powsta ć bez geometrii Euklidesa
Newton nie zastanawiał si ę nad statusem epistemologicznym geometrii E
Kant wyraził pogl ąd, że geometria E stanowi prawd ę syntetyczn ą a priori
Gauss w ątpiąc badał empirycznie sumy k ątów w trójk ącie
Einstein był przekonany, że nowa teoria wymaga nowej geometrii
nie było prawie żadnych faktów empirycznych żeby poprawia ć teori ę Newtona
mechanika Newtona i ogólna teoria wzgl ędności to ró żne geometrie
OTW powstała jako nowa sko ńczona konstrukcja, a nie uogólnienie Newtona
Piękno Prostota Zgodno ść z Obserwacjami
1915 – jak jest skonstruowana
„ci ążenia nie b ędziemy dłu żej uwa żać za sił ę”
zastosował geometri ę nieeuklidesow ą rozwini ętą wcześniej przez Riemanna
cząstki / obiekty fizyczne poruszaj ą się w 4D czasoprzestrzeni
po najkrótszych trajektoriach (geodezyjnych)
pierwsza zasada Newtona zamieniona na: ciało porusza s ię po geodezyjnej
przyczyn ą zakrzywienia czasoprzestrzeni jest materia (tensor ener gii-p ędu)
ruch ciał → zmiany zakrzywienia → ruch ciał → grawitacja jest nieliniowa
w układzie zwi ązanym ze spadkiem swobodnym grawitacja znika
10 równa ń wiąże zakrzywienie czasoprzestrzeni z tensorem energii - p ędu
Komu były potrzebne fale elektromagnetyczne w 1861 r. ?
1785 - prawo Coulomba
1820 - prawo Ampera
1831 - prawo Faradaya (najbardziej pokraczne prawo fizy ki)
1847 – Helmholtz – prawa Ampera i Faradaya s ą ze sob ą ściśle powi ązane
1799 – ogniwo Volty
0ε
0µ
1861 – James Clerk Maxwell
1854 – koniec rozwoju elektrodynamiki – ostateczna teor ia Webera
00
1
µε=c
−+=
2
2
2221
0 2
11
4
1
c
v
dt
dv
c
r
r
qqF
πε
równania ró żniczkowe dla pól E i H
prąd przesuni ęcia
00
1
µε=c stała przeliczeniowa
prędko ść światła
Fale grawitacyjne / Fale elektromagnetyczne
1915 – Albert Einstein 1861 – James Clerk Maxwell
równania Maxwellaogólna teoria wzgl ędno ści
1861 - fale elektromagnetyczne
rozchodz ą się z prędko ścią światła
1916 - fale grawitacyjne
1916 – fale grawitacyjne
22 czerwca 1916
Potwierdzenia zjawisk fizycznych przewidywanych przez OTW
ruch peryhelium orbity planety
rozszerzaj ący si ę / kurcz ący si ę Wszech świat
ugi ęcie sygnałów świetlnych w pobli żu du żych mas
1919 – A. Eddington – obserwacja za ćmienia Sło ńca w Afryce
1916 – A. Einstein - wyja śnił ruch Merkurego
1922 / 1927 – A. Friedman teoria / E. Hubble obserwacje
poczerwienienie fotonów wydostaj ących si ę z pola grawitacyjnego planety
1960 – R. Pound, G. Rebka – poczerwienienie fotonów
1922 / 1927 – A. Friedman teoria / E. Hubble obserwacje
istnienie fal grawitacyjnych
efekt Lense -Thirringa – wleczenie układów inercjalny ch
2012 – eksperyment satelitarny Gravity Probe B
1916 – Einstein wyjaśnia ruch peryhelium orbity Merkurego
ruch peryhelium orbity planety
wyliczony z Newtona 527 s / 100 lat
obserwowany 565 s / 100 lat
2
6
=∆cL
GMmπα
„Przez kilka dni nie mogłem dojść do siebie z powodu radosnego podniecenia”
(z listu do przyjaciela, Paula Ehrenfesta)
nadwy żka 38 s / 100 lat
efekt relatywistyczny 38 s / 100 lat
1919 – ekspedycja Eddingtona potwierdza efekt Einsteina
ugi ęcie sygnałów świetlnych w pobli żu du żych mas
obserwacja za ćmienia Sło ńca w Afryce
GM4=∆ ϕ
zmodyfikowana teoria Newtona – foton jako cz ąstka 0.87 ‘’
OTW – zakrzywienie trajektorii fali 1.74 ‘’
Rc
GM2
4=∆ ϕ
1922 – A. Friedman – przewiduje ekspansję Wszechświata
rozwi ązania równa ń Einsteina otwiera now ą kosmologi ę
rHv =
E. Hubble – odkrycie ekspansji - 1926 C. Flammarion - 1888
1960 – R. Pound i G. Rebka potwierdzają wpływ pola G na fotony
różnica poziomów h = 22.5 m
źródło fotonów gamma 57Fe
2000 c
ghfffff ≈=−=∆
Glen Rebka - Harvard University
dzisiaj – zegary atomowe
c
2004 / 2012 – efekt Lense-Thirringa z 1918 r. potwierdzony
Newton
2012 - eksperyment satelitarny – precesja żyroskopu na orbicie
2004 - wleczenie układów inercjalnych wokół rotuj ącej masy
Einstein
31 milisekund na rok
satelity LAGOS
10 % dokładno ść
2012 - eksperyment satelitarny – precesja żyroskopu na orbicie
satelita Gravity Probe B
1 % dokładno ść
(składowa magnetyczna pola G)
zarówno pole magnetyczne H jak i pole L-T s ą efektami relatywistycznymi
Jak powstają fale ?
1861 - fale elektromagnetyczne
równania Maxwellaogólna teoria wzgl ędno ści
1916 - fale grawitacyjne
przyspieszony ruch ładunków
1885 – H. Hertz - eksperyment
możliwy eksperyment laboratoryjny
przyspieszony ruch mas
ruch gwiazd w układzie podwójnym
bardzo mała efektywno ść bardzo du ża efektywno ść
ruch ładunków w przewodach
źródła naturalne
tylko kwadrupolowe dipolowe lub kwadrupolowe
Elementarne źródła fal
fale elektromagnetycznefale grawitacyjne
m m +q -q
dipol / kwadrupolkwadrupol
62ωIG
P ∝421 ωpP ∝
drgania czasoprzestrzeni
r
1
pole elektromagnetyczne
bezwymiarowa amplituda h amplitudy pola E i H
623 ωI
c
GP ∝ 3
ωpc
P ∝
Natura fali grawitacyjnej
deformacja czasoprzestrzeni
https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave#/media/File:Quadrupol_Wave.gif
Czy detekcja fal grawitacyjnych jest możliwa ?
przez lata dyskutowano jakie mog ą być skutki fizyczne oddziaływania fali
większo ść fizyków wykazywała sceptycyzm co do mo żliwo ści detekcji
wielu z nich przekonał eksperyment my ślowy Feynmana w 1955 roku
Detektor grawitacyjny Feynmana:
Weź dwie kulki swobodnie przesuwane (ale z małym tarciem ) na sztywnym Weź dwie kulki swobodnie przesuwane (ale z małym tarciem ) na sztywnym pręcie.
Jeżeli fala przechodzi przez pr ęt i siły atomowe przeciwstawiaj ą się zmianom jego długo ści, odległo ść pomi ędzy prawie swobodnymi kulkami zmienia si ę.
Tak więc koraliki ocieraj ą o pręt, wydzielaj ąc ciepło.
sceptycyzm w śród niektórych badaczy pozostał do dzi ś
Oddziaływanie fal z materią
fale elektromagnetycznefale grawitacyjne
drgania czasoprzestrzeni wektory pola E i H
m m +q -q
zmiana odległo ści pomi ędzy masami / ładunkami
jeżeli pomi ędzy nimi jest spr ężyna - powstan ą siły
rozci ąganie i zgniatanie na przemian
Jak zbudować najprostszą odbiorczą antenę grawitacyjną ?
l∆∆∆∆l = 10-20 m
l =1 m
h = 10-20
∆∆∆∆l = l ⋅⋅⋅⋅ hefekt działania fali – zmiana odległo ści
amplituda fali
1965 – Joseph Weber – pierwszy pomysł detekcji – cylind er metalowy
rezonator akustyczny pobudzany fal ą grawitacyjn ą
granic ę detekcji wyznacza szum termiczny
1969 – antena J. Webera
∆∆∆∆l = 10−16 ml = 2 m
h = 5 10−17
f = 1660 Hz
m = 1500 kg
T = 300 K
Q = 106
Anteny mechaniczne w latach siedemdziesiątych
w 1972 Weber ogłosił że prawie codziennie obserwuje impulsy grawitacyjne
tłumaczył je wybuchami supernowych w pobliskich gala ktykach
wkrótce podobn ą anten ę zbudował fizyk Richard Garwin
w ci ągu 6 miesi ęcy odebrała ona tylko 1 impuls
Garwin wytkn ął Weberowi złe oszacowanie cz ęsto ści sygnałów astro
inny fizyk David Douglass wykrył bł ąd w oprogramowaniu Webera
w 1972 w Instytucie Maxa Plancka zbudowano kolejn ą anten ę
ona równie ż nic nie odbierała
do roku 1980 powstały dalsze anteny mechaniczne w kil ku krajach
brak wyników zrodził impas w badaniach fal grawitacyjnych
1971 – koncepcja anteny grawitacyjna na swobodnych masach
l
pomysł - G. E. Moss, J. R. Miller, R. J. Forward
zastosowa ć swobodne oddalone od siebie lustra
prowadzi ć pomiar odległo ści przy pomocy światła
1977 – inne rozwiązania
fotony kr ążą w falowodzie kołowym
2gT
4rT
+
+
--
4
gr TT 2= , czyli oddziaływanie rezonansowerg ff 2=
kumuluje si ę zmiana energii (cz ęstotliwo ści fotonów)
równanie dewiacji fazy
gdy
τωψ eh=∆
τ czas obserwacji (< czasu życia fotonów)
1977 – detektor EM jest detektorem superheterodynowym
radiometr
ifgf
ef
sprz ęgacze kierunkowe
interferometr
gei fff ±=
energia detekcyjna 20 ∆∆ = ψεε
częstotliwo ść sygnału na wyj ściu interferometru
granic ę detekcji wyznacza szum termiczny
222eh ωτε ∝∆
daje szans ę na realizacj ę eksperymentu Hertza
1982 – nieoczekiwane odkrycie fal grawitacyjnych w nadajniku
1974 – R. Hulse, J. Taylor - odkrycie podwójnego pul sara PSR 1913+16
siła radiacyjna promieniowania
bardzo ciasny układ
okres obiegu 7.75 godzin
ruch orbitalny przyspiesza
efekt zgodny z OTW
jednak fale grawitacyjne istniej ą
7
∝c
vF
1991 – postęp w detektorach mechanicznych – projekt Allegro
∆∆∆∆l = 3 10−20 ml = 3 m
h = 10−20
f = 900 Hz
m = 2300 kg
T = 4.2 KQ = 107
Louisiana State University
2001 – granice detekcji mechanicznej - detektor Nautilius / Frascati
∆∆∆∆l = 10−21 ml = 3 m
h = 5 10−22
f = 908 / 924 Hz
m = 2300 kg
T = 0.1 K
A = 260 dB
Q = 108
Rozwój fizyki pomiaru małych sił
Quantum Nondemolition Measurement - QND
V. Braginsky, K. Thorne ok. 1980
koncepcja stroboskopowego pomiaru oscylatora
B. R. Johnson, et al. “Quantum non-demolition detec tion of single microwave photons in a circuit.” Nature Physics. Advance Online Publication. DOI:10.1038/NPHYS1710
idealny detektor fazy
1≥∆⋅∆ ψn
n
1=∆ψn
1=∆ψ 0=∆ψ
niezale żnie powstały koncepcje idealnego detektora fazy
1992 – początek projektu LIGO
koncepcja - zastosowanie interferometru Michelsona
uniwersytety CALTECH i MIT
lustra jako swobodne masy
2 detektory oddalone od siebie na odległo ść 3000 km
specjalne systemy zawieszeń
l=4000 m
laser jako źródło światła
tunele próżniowe
1887 - Interferometr Alberta Michelsona
zapewnia niezwykle precyzyjny pomiar ró żnic odległo ści luster
1907 – nagroda Nobla (koncepcja optycznego wzorca met ra)
1887 – A. Michelson, E. Morley – eksperyment wykluczen ia eteru
Położenie detektorów LIGO - Hanford i Livingston
Hanford, Washington
Livingston, Louisiana
3000 km / 10 ms
Przebieg projektu LIGO
1992 – początek projektu – detektor w małej skali - eksperymenty laserowe
1996 – rozpocz ęcie budowy
2000 – koniec budowy – testy techniczne
2002 – pierwsze próby detekcji fal grawitacyjnych
2008 – brak sukcesu - decyzja o koniecznym udoskonaleni u LIGO
2015 – zakończenie prac - czuło ść 10 razy wi ększa
2015 – 14 września - pierwszy test i pierwsza detekcja fali grawitacy jnej
1300 fizyków i in żynierów z wielu krajów
300 europejczyków – od 1993 równoległy projekt Virgo
15 osób z Polski
Pokonane problemy techniczne piętrzące się przed eksperymentatorami
zawieszenia mas tłumi ące drgania sejsmiczne
stworzenie niezwykle czystego spektralnie lasera
budowa luster o doskonało ści przekraczaj ącej wszystkie osi ągni ęcia
technika pró żni w wielkich obiektach
stworzenie wyrafinowanych metod analizy sygnałówstworzenie wyrafinowanych metod analizy sygnałów
osi ągni ęcia w ka żdej z tych dziedzin przyczyniły si ę do rozwoju techniki
Obecny stan detektora LIGO
1>∆⋅∆ nϕ
n2
1>∆ϕ l∆=∆λπϕ 2
nl
1
4πλ>∆
[nm] 1064=eλ
Nd:YAG
n4π
Graniczne amplitudy fal grawitacyjnych możliwe do wykrycia przez LIGO
h
∆∆∆∆l = 5 10−20 m
l = 4000 m
h = 10−23
nh
1
8πλ>
Ogólny widok detektora LIGO w Hanford
https://www.caltech.edu/news/dedication-advanced-ligo-46822
Ogólny widok detektora LIGO w Livingston
Budynki bloku lasera i interferometru w Livingston
Dzieła sztuki inżynierskiej - kanały próżniowe promienia laserowego
Dzieła sztuki inżynierskiej - systemy zawieszeń mas próbnych
drgania sejsmiczne s ą tłumione 10 11 razy
Dzieła sztuki – idealne lustra
światło odbite nie traci wi ęcej ni ż 1/5000 energii
Lustra
Lustra
12 luty 2016 - uroczyste konferencje – historyczny komunikat
równoległe konferencje prasowe w Waszyngtonie, Pizie i Warszawie
komunikat ogłoszono równocze śnie o godz. 15:30 UT
12 luty 2016 – publikacja 1300 autorów
Odebrany 14 września 2015 sygnał grawitacyjny
Co wytworzyło zarejestrowaną falę grawitacyjną ?
masy czarnych dziur – 36 i 29 mas Sło ńca
masa czarnej dziury po poł ączeniu – 62 masy Sło ńca
wypromieniowana energia E = 3 M o c2
odległo ść 410 Mps = 1340 lat świetlnych
chwilowa moc 100 była razy wi ększa ni ż wszystkich źródeł
Analiza spektralna przebiegów
Fala grawitacyjna emitowana przez ruch gwiazd w układzie podwójnym
https://www.ligo.caltech.edu/page/what-are-gw
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 równie ż Kraków ma pewien wkład
pracuj ący na AGH i UJ Zespół Fal ELF
wspomagał zespól LIGO w dziedzinie weryfikacji wpływu
ziemskich fal elektromagnetycznych zakłócaj ących detektory
Położenie polskiej stacji Hugo względem detektorów LIGO
ELF / 1540 km / 6 ms
Hanford, Washington
ELF / 1505 km / 6 ms
Livingston, Louisiana
Hugo
GW / 3000 km / 10 ms
Nasza weryfikacja wpływu impulsów pola ELF
Czystość relatywistyczna przełomowej obserwacji
to nie tylko pierwsza bezpo średnia detekcja fali grawitacyjnej
ale tak że pierwszy dowód na istnienie podwójnych czarnych dziu r
oraz relatywistycznej ewolucji ich układów, a ż do poł ączenia
oraz sprawdzenia formuł na promieniowanie grawitacyjn e
wszystkie te fenomeny fizyczne wynikły z ogólnej teori i wzgl ędno ści
to wydarzenie niezwykle si ę zbiegło z 100 rocznic ą publikacji Einsteina
Po co odkryto te fale ?
w takich przypadkach najlepiej przytacza ć opini ę Richarda Feynmana:
czy jest z tego jaka ś korzy ść ?
eksperyment LIGO pochłon ął dot ąd ok. 1.1 mld USD / 40 lat
«fizyka jest jak seks:
oczywi ście, że może dawać jakieś praktyczne rezultaty,
ale nie z tego powodu si ę nią zajmujemy».
Dziękuję za uwagę
Druga detekcja fal grawitacyjnych w LIGO
interferometr działał od 12 wrze śnia 2015 do 19 stycznia 2016
pierwsza detekcja GW150914 miała miejsce 14 wrze śnia 2015
druga GW151226 26 grudnia 2015
masy czarnych dziur – 14 i 8 mas Sło ńca
masa czarnej dziury po poł ączeniu – 21 masy Sło ńca
wypromieniowana energia E = 1 M c2wypromieniowana energia E = 1 Mo c2
następny cykl zbierania danych rozpocznie si ę wkrótce