Czech National Team

Informace - pomoc

Pomoc s projekty a nastavením: forest
e-mail: forest(at)czechnationalteam.cz
Administrátor: kyong
e-mail: kyong(at)czechnationalteam.cz
Statistiky: vkliber
e-mail: vkliber(at)czechnationalteam.cz

Czech National Team o. p. s. - nezisková organizace
Podpořte nás

Formula BOINC

Spřátelené weby

Česká astronomická společnost - www.astro.cz

Instituce, které podpořily vznik a provoz týmových počítačů

Intel

Vimbau

Počítadlo přístupů

Subdoména Einstei@home

* Einstein@Home - článek na pokračování: část č.1

Vydáno dne 20. 01. 2005 (14855 přečtení)

Jak to všechno začalo, aneb co vlastně toho Einsteina před 100 lety napadlo ;-)

Obecná relativita

Již Galileo Galilei věděl, že doba volného pádu malé kuličky i velkého kamene je v tíhovém poli Země shodná. Nesmí jít například o pírko, kde je podstatnou silou odpor vzduchu. To je důsledkem takzvaného principu ekvivalence mezi setrvačnou a gravitační hmotou. Hmota se projevuje setrvačnými a gravitačními účinky a ty jsou si úměrné. Nelze proto od sebe odlišit setrvačné a gravitační jevy. Je jedno, zda se nacházíme v urychlovaném výtahu, tj. neinerciální soustavě, nebo v tíhovém poli se stejným gravitačním zrychlením. V obou soustavách dopadnou experimenty stejně.

To vedlo Alberta Einsteina (*1879 - ?1955) k zobecnění speciální relativity platící v inerciálních soustavách na veškeré souřadnicové systémy a ke vzniku obecné relativity, jejíž kostru dokončil v roce 1915. Podle ní lze veškeré gravitační jevy vysvětlit jako důsledek zakřivení prostoru a času. Každý fyzikální objekt kolem sebe deformuje prostoročas, mění jeho geometrické vlastnosti, a to tím více, čím větší má hmotnost. Tělesa se proto nepohybují v pevně daném euklidovském prostoru měřena absolutním časem, ale v prostředí, jehož geometrie je zdeformována ostatními objekty. Newton si představoval, že planeta obíhá kolem Slunce proto, že je k němu přitahována gravitační silou. Tato síla zakřivuje dráhu planety, která by jinak byla přímá. Podle Einsteina ovšem mezi Sluncem a planetou žádná gravitační síla nepůsobí. Dráha planety je zakřivena prostě proto, že sám prostor (i čas), v němž se planeta pohybuje, je zdeformován přítomností Slunce. V obecné relativitě sama tělesa zakřivují prostor a čas ve svém okolí a v tomto zakřiveném prostoročase se pohybují po nejrovnějších možných drahách - geodetikách. Prostor a čas v obecné relativitě bez samotných těles neexistuje.

A co zakřivení v čase? Na první pohled se zdá, že bude ještě obtížněji představitelné. Opak je ale pravdou. Zakřivení v čase neznamená vlastně nic jiného, než že hodiny jdou na různých místech různě. Jinak jdou hodiny při povrchu zemském a jinak například 20 metrů nad Zemí. Chod hodin totiž ovlivňuje přítomnost těles, například naší Země.

Když dal Einstein této pozoruhodné myšlence přesnou matematické podobu, stvořil teorii, která se svou hloubkou a elegancí zařadila mezi skutečné poklady lidského poznání. Dodnes je to nejlepší gravitační teorie, kterou máme k dispozici, neboť byla nesčetněkrát experimentálně ověřena. Tvoří jeden z pilířů moderní fyziky. Byla to právě obecná relativita, v jejímž rámci byly poprvé v historii sestrojeny realistické modely vesmíru jako celku. Díky ní se z kosmologie stala plnohodnotná vědecká disciplína podepřená řadou pozorování (především Hubbleovým objevem rozpínání vesmíru v r. 1929 a objevem reliktního mikrovlnného záření učiněným v r.1965 Penziasem a Wilsonem). Einsteinova teorie se také stala nástrojem astrofyziky. Po objevu pulsarů, kvasarů a aktivních galaxií v 60. letech se obecná relativita stala neodmyslitelnou součástí astronomie a znamenala zásadní revoluci ve fyzice 20. století.

Předpověděla a vysvětlila řadu nových jevů:
- sehrála klíčovou roli v pochopení vzniku prvků
- struktury a vývoje hvězd i procesů probíhajících na konci jejich života kdy kolabují v bílé trpaslíky
- neutronové hvězdy
- singulární černé díry - zakřivení světelného paprsku v gravitačním poli (1,75 u povrchu Slunce)
- gravitační čočky (první objevena v roce 1979)
- stáčení perihélia planet (zejména Merkuru o 43'' za století)
- gravitační červený posuv (závislost chodu hodin na gravitačním poli, poprvé prokázán pro bílé trpaslíky)
- zpoždění elektromagnetického signálu
- kosmologický červený posuv způsobený rozpínáním vesmíru
- Lensův-Thirringův jev (strhávání souřadnicové soustavy při rotaci)
a také předpověď obecné relativity ? možnost existence gravitačních vln.

Existenci gravitačních vln předpověděl Albert Einstein již v roce 1916. Jde o periodické zakřivení prostoru a času, které se šíří od svého zdroje, podobně jako například vlna zvuková nebo elektromagnetická. Je zde ale mnoho odlišností. Představte si tři tělesa v prostoru tvořící například pravoúhlý trojúhelník. Bude-li přes náš trojúhelník přecházet gravitační vlna, budou se tělesa pohupovat na zakřiveném prostoročase a periodicky se bude měnit jejich vzdálenost podobně jako vzdálenost tří lodí pohupujících se na mořských vlnách. V Pythagorově větě nebude čtverec přepony roven součtu čtverců odvěsen, vzdálenosti se budou periodicky měnit vlivem proměnnosti časoprostoru. Neexistuje žádné prostředí, ve kterém by se gravitace vlnila, jako je tomu u zvukových vln. Rozvlněný je sám časoprostor.

U elektromagnetických vln existují dva nezávislé mody vln skloněné o 90°. Podobně i gravitační vlny kmitají ve dvou nezávislých směrech, ale ty jsou skloněny jen o 45°. To souvisí s odlišným spinem (elektromagnetické pole má spin roven jedné, gravitační pole dvěma). Elektromagnetické vlny mohou vznikat u těles s dipólovým a vyšším momentem. To znamená, že sféricky symetrické těleso nemůže být zdrojem elektromagnetických vln, osově symetrické těleso (dipól) ano. Zdrojem gravitačních vln nemůže být ani monopól ani dipól.
A teprve kvadrupólové rozložení látky může generovat gravitační vlny.
Gravitační vlny se šíří vesmírem rychlostí světla tedy maximální možnou rychlostí. Oba typy vln mají také příčný charakter. Periodické deformace prostoročasu představující gravitační vlnu mají slapové účinky, tudíž udělují sousedním částicím relativní zrychlení a tím rozkmitávají tělesa, ovšem pouze v rovině kolmé na směr šíření. Také elektromagnetická vlna je příčná, dokáže však rozkmitat jen elektricky nabité částice (především elektrony), zatímco vlna gravitační mění geometrické vlastnosti prostoročasu a ovlivňuje proto každou hmotu. Liší se též svými polarizačními vlastnostmi. Oba typy sice připouštějí dva nezávislé polarizační stavy, ale ty mají u gravitačních vln poněkud složitější charakter. Projevují se například tak, že kdyby se gravitační vlna šířila ve směru rovné gumové hadice, způsobila by periodické deformace původně kruhového průřezu hadice v eliptický.

Naprosto zásadní odlišnost gravitačních a elektromagnetických vln však spočívá v jejich různé "intenzitě". Elektromagnetické vlny lze generovat i zachycovat snadno (elektromagnetickým vysílačem je kupříkladu běžná žárovka, velmi účinným detektorem například naše oči). Oproti tomu gravitační vlny jsou nesmírně slabé. Je známo, že gravitační interakce je nejslabší fyzikální silou ve vesmíru (jako jediná ovšem efektivně působí i na obrovské vzdálenosti, a proto je přes svůj handicap dominantní interakcí ovládající kosmické procesy). To znamená, že vzájemná vazba mezi gravitací a hmotou je velmi malá v porovnání s elektromagnetismem či jaderným působením. Například poměr sil gravitačního a elektrostatického působení dvou elektronů je 10-42. Účinnost, s jakou jsou gravitační vlny generovány nebo detekovány, je tudíž nepatrná. Proto dodnes nebyl sestrojen přijímač schopný přímým způsobem zachycovat gravitační vlny přicházející k nám z vesmíru (natož abychom byli schopni vyrobit jejich dostatečně silný umělý vysílač).

Oproti Newtonově teorii gravitace je obecná relativita dynamická. To znamená, že prostoročas se přítomností hmoty nejen deformuje, ale může také začít vibrovat, pokud se zdroj deformací periodicky pohybuje. Co jsou gravitační vlny, tyto specifické kmitavé stavy prostoročasu, lze intuitivně pochopit z následující analogie. Stoupne-li si člověk doprostřed velké trampolíny, vytvoří se prohlubeň. Začne-li však skákat, prohlubeň bude periodicky měnit svůj tvar a postupně se celá trampolína rozvlní. Podobným způsobem vznikají i gravitační vlny. Každá hvězda zakřivuje prostoročas ve svém okolí. Změní-li hvězda náhle svůj tvar, například při výbuchu supernovy, změní se též okolní geometrie a vzniklý rozruch se bude předávat dále. Směrem od hvězdy se začnou konečnou rychlostí šířit gravitační vlny, "poruchové" vlnky křivosti prostoročasu. V jejich amplitudě a frekvenci jsou přitom zakódována cenná data o procesu zániku hvězdy. Kdybychom uměli tyto vlny zachytit a dešifrovat informaci, kterou přenášejí, otevřel by se nám pohled do samotného srdce hvězdného kolapsu. Mohli bychom nahlédnout do oblastí dnes nespatřitelných, neboť jsou pro elektromagnetické záření neprůhledné.

Gravitační vlny vznikají nejen při výbuších supernov, ale obecně všude tam, kde se nerovnoměrně mění tvar nebo poloha objektu. Tehdy, když se hmota pohybuje zrychleně nesférickým způsobem (což fyzikové popisují tzv. kvadrupólovým momentem). Významnými zdroji gravitačních vln jsou především dvojhvězdy, v nichž rozložení hmoty pravidelně osciluje s periodou rovnou době oběhu. Čím blíže jsou obě obíhající složky a čím jsou hmotnější, tím silnější jsou i generované vlny. Silnými zdroji gravitačních vln jsou proto těsné binární systémy, z nichž alespoň jedna složka je neutronová hvězda (pulsar) nebo černá díra. Gravitační vlny přitom odnášejí energii, a tak se oba objekty k sobě po spirále přibližují a jejich oběžná doba se zkracuje.

Vůbec nejsilnější gravitační vlny vznikají na konci tohoto procesu, kdy se neutronové hvězdy nebo černé díry navzájem srazí a splynou. Takové vlny lze však pro jejich nepravidelný charakter počítat jen pomocí náročných numerických simulací. Následné doznívání srážky je opět vcelku pravidelné, amplitudy vln charakteristických frekvencí postupně plynule klesají k nule.

Kromě vln generovaných astrofyzikálními objekty předpokládají teoretikové též existenci gravitačních vln kosmologického původu. Ty mohly vznikat v raném vesmíru, buď přímo při velkém třesku, nebo o chvíli později v  tzv. inflační fázi expanze. Protože gravitační vlny interagují s hmotou jen velmi slabě, jimi přenášená informace je velmi dobře "zakonzervována". S pomocí detektorů těchto vln bychom proto mohli dohlédnout nepředstavitelně daleko do minulosti přes propast více než třinácti miliard let v principu až do doby, kdy se zrodil sám prostor a čas v nám známé podobě, pouhých 10-43 sekundy po velkém třesku! Tak mladý vesmír nelze přitom studovat prostřednictvím elektromagnetických vln. (Na počátku byl totiž vesmír velmi žhavý, hmota byla ionizována a proto elektromagneticky neprůhledná. Teprve v době zhruba 380 000 let po velkém třesku vesmír ochladl natolik, že hmota rekombinovala a fotony začaly žít svým vlastním životem odděleným od ostatní hmoty. Dnes je pozorujeme jako reliktní mikrovlnné záření. S pomocí reliktního gravitačního záření bychom mohli získat přímý obraz velkého třesku a studovat globální strukturu raného vesmíru. A možná i objevit překvapivé poznatky, které budou mít zásadní význam pro astrofyziku, kosmologii a teoretickou fyziku obecně.

Část č.2 podrobně popisuje gravitační vlny

                                                                                Autor:forest

Svůj komentář na tento článek, co by mělo být opraveno, či doplněno můžete napsat do této sekce na našem týmovém fóru.
Téma s komentářem k tomu konkrétnímu článku, by mělo nést stejný název, jako článek na webu.

[Akt. známka: 1,00 / Počet hlasů: 7] 1 2 3 4 5
Celý článek | Autor: Dušan Vykouřil (forest) | Informační e-mailVytisknout článek
sonna.com.ua


Czech National Team | Projekty CNT | Statistiky CNT | Distribuované výpočty CNT | SETI CNT | Einstein CNT | Asteroids | Fórum CNT | Chat CNT | Galerie CNT | RSS


© Czech National Team, o.s.