Если вы хотите узнать побольше про детекторы гравитационных волн, от истории создания, физики и до собственно современных открытий, очень рекомендую этот документальный фильм. Мне кажется, он хорошо передает дух настоящей науки со всеми сложностями, взлетами и падениями. Я тут узнал, что он выиграл 14 наград на фестивалях, что вполне заслуженно: фильм очень интересный. Кстати, там же на канале есть короткие эпизоды на конкретные темы, если смотреть почти два часа документалки вы не готовы 🙂

https://www.youtube.com/watch?v=jWkWD1MBXKU

На этой неделе я был на конференции по квантовой гравитации, было ужасно интересно, и мне не терпится скорее рассказать вам всякого, что я узнал (а узнал я очень много интересного, на десяток постов хватит!). В процессе подготовки к докладу (или скорее лекции, на час), мне самому пришлось разобраться в одной из необычных моделей квантовой гравитации — энтропийной модели Верлинде. Заодно с ним пообщался на эту тему. Так что я в голове уже складываю лонгрид на эту тему.

К сожалению, как обычно бывает, времени на все эти излишества нет совершенно: на этой неделе надо дописать две заявки на гранты, и одну из них я еще даже не начинал 🥲

Но вы пока задавайте вопросы в комментах, я их потом соберу по темам и попробую поотвечать.

На дворе сезон Нобелевских премий, завтра выдается премия по физике, а значит, пора погадать на кофейной гуще!

Сразу скажу, что эта премия давно себя изжила, и идейно, и практически. Физика сейчас делается не одиночками, а большими коллективами. Очень мало какие открытия можно приписать конкретному человеку, это почти всегда много небольших шагов в нужную сторону, а не большой скачок, как раньше. Единственный бонус от нее: привлечение общественного внимания к разным областям науки.

Так вот, кто же получит премиую в этом году? Напомню, в прошлом году получили премию за аттосекундные лазеры, в позапрошлом — за квантовую запутанность, в 2021 - за климатические модели, а в 2020, 2019 и 2018 — за всякие космические штуки.

Думаю, физика частиц и космология в этом году мимо: у одной мало что случилось за последнее время, а у другой уже было несколько больших премий недавно. Поэтому у меня варианта два: либо что-то очень прикладное, либо что-то связанное с квантовыми технологиями. Моя ставка — на последнее, чисто за хайп, поэтому Дойч и Шор (но они получили breakthrough prize в прошлом году) или Якир Ахаронов и Майкл Берри по совокупности заслуг.

А как вы думаете?

Ух, какую вчера прочитал статью! Вы берете фотоны, посылаете в облако атомов. Они, конечно, поглощаются атомами, атомы ненадолго возбуждаются, а потом переиспускают фотоны, а они вылетают с другой стороны — с какой-то задержкой, конечно. Как вы думаете, какой? Эти ребята взяли и намеряли эту задержку отрицательной. WTF?! скажете вы, и будете совершенно правы.

Я попробовал разобраться.

Надо начать с того, что скорость фотона в среде не очень хорошо определена. Помните, я рассказывал про сверхсветовое туннелирование? Когда у нас есть электромагнитная волна, там все относительно просто. А вот когда мы начинаем смотреть на одиночные фотоны, случается беда. Фотон — он волновой пакет и занимает довольно много места в пространстве и времени. Какой момент считать временем прохода через среду? Когда прибывает передняя его часть, или когда кликает детектор, или как-то усреднять? А ведь фотон еще поглощается и переиспускается атомом — как это учитывать?

Сперва надо вспомнить про понятие групповой скорости. Если у вас есть волна, амплитуда которой меняется со временем (другими словами, волновой пакет), групповой скоростью называют скорость перемещения максимума вот этого изменения. Я кину в коммент видео, которое показывает это наглядно. В целом, групповая скорость сильно зависит от свойств среды, в которой свет распространяется. Она может даже быть значительно быстрее скорости света, а может быть вообще отрицательной. Никого это не смущает, так как эта скорость не связана с каким-то физическим перемещением, с ее помощью нельзя передать информацию и т.д.

Если мы смотрим на одиночный фотон и наблюдаем, когда приходит максимум его волнового пакета, его групповая скорость тоже может быть отрицательной. Обычно говорят, что это ничего не значит, никаких наблюдательных эффектов не дает, и вообще просто наш неудачный выбор определения скорости.

А какой выбор был бы удачнее? Авторы говорят: ну вот есть более четкая метрика — померить, сколько атом, возмущенный фотоном, проводит в возбужденном состоянии. Это явный физический эффект, а не просто неудачный выбор определения. Они так и делают: берут атомы, пускают в них фотоны и измеряют время, которое атом живет в возбужденном состоянии. Повторяют много раз. И видят, что атомы в среднем проводят отрицательное время в возбужденном состоянии! Более того, это время напрямую зависит от групповой скорости фотона. А это значит, что групповая скорость — не просто глупое определение, а она влияет на реальне физические процессы.

Но это же бред, как может быть атом отрицательное время хоть в чем-то! Но дело оказывается в том, как мы определяем время в квнатовой механике. У каждого фотона есть вероятность пройти сквозь атомы, не завимодействуя, и вероятность провести какое-то время в виде возбуждения атома. Так вот, эти вероятности интерферируют между собой, и в результатае получается отрицательное время. Примерно такой эффект был в парадоксе голубей, про который я рассказывал раньше. Тут главный момент в том, что мы учитываем не все фотоны, которые влетают в облако атомов, а только те, которые проходят насквозь. А это небольшая часть от всех. Вот эта интерференция, вместе с отбором "хороших" фотонов и дают парадоксальное определение времени. Дурят нас, короче, дурят!

Я не думаю, что это отрицательное время несет какой-то глубокий физический смысл. Как и все квантовые эффекты с пост-селекцией, где мы выбираем только исходы, которые нам нравятся, это все больше вопрос определений. Это, несомненно, очень любопытный эксперимент, возможно, важный для разговора о значении термина "время", но не имеющий какого-то влияния на нашу ежедневную жизнь (даже в физике). Наверное.

https://arxiv.org/abs/2409.03680

Как небольшой постскриптум к прошлому посту, дам ссылку на классный рассказ про историю открытия гравитационных волн.

Эта история была полна скандалов и интриг. Сам Эйнштейн открыл волны, а потом отказался от своего открытия (а потом снова поменял точку зрения). Целых 50 лет после этого они считались математическим артефактом, пока Фейнман не представил очень важный аргумент в пользу их существования. Несколько лет шла битва лучших умов в споре за правильность аргумента, после чего начали придумывать способы их наблюдать. Волны уже были "наблюдены" в 60х экспериментально, и статья об открытии наделала много шума. Однако никто не смог подтвердить открытия, и их пришлось "закрыть": трагедия для Вебера - автора работ. Понадобилось еще 40 лет и множество усилий, чтобы построить детекторы, которые таки смогут их наблюдать.

В статье по ссылке рассказана история открытия - начиная с Эйнштейна и до наших дней, со всеми перипетиями. Написана она увлекательно и понятно, хотя и довольно кратко. Очень рекомендую всем как воскресное чтение!

https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1810/1810.07994.pdf

Один из самых сложных моментов в понимании гравитационных волн — что же они все-таки делают с детектором типа LIGO. Об это сломано не мало копий и в научном сообществе. Проблема не в том, чтобы описать это математически — там все тривиально, но в том, чтобы объяснить, что же происходит физически.

Мы говорим, что гравитационные волны растягивают пространство-время и мы наблюдаем это растяжение, измеряя эффект на проходящий через пространство луч света. Очень частая претензия от желающих покритиковать нас: как же мы можем измерить гравитационную волну, если она должна растянуть не только пространство, но и длину волны света. Действительно, она и растягивает, но мы все равно можем ее измерить, потому что в каждый следующий момент в интерферометр попадает новая, не растянутая волна, и вот она-то и измеряет эффект гравитационной волны.

Я пару лет назад про это писал целый большой пост: https://habr.com/ru/articles/426785/. Почитайте его, а ниже я его дополняю кое-чем любопытным:

Обычно мы описываем эффект гравитационной волны как дополнительную силу, действующую на зеркала — по типу приливной силы от движения Луны. Это интуитивно и удобно для объяснений. Но это работает только для волн очень низкой частоты, так что длина гравитационной волны гораздо-гораздо больше длины плеча интерферометра. В этом случае пока свет проходит туда-обратно в плече интерферометра, пространство-время почти не меняется, так что любыми эффектами изменения кривизны пространства-времени по мере распространения пучка света можно пренебречь. А вот для высоких частот начинаются проблемы.

Чтобы правильно описать эффект гравитационной волны, необходимо учесть и эффект, который волна оказывает на свет. Если длина плеча сопоставима с длиной волны, свет на пути проходит через изменяющуюся кривизну пространства-времени. Из-за этого он приобретает гравитационное красное смещение (т.е. его частота меняется). Более того, нам необходимо учесть тот факт, что время идет по-разному под действием гравитационной волны в разных частях детектора: часы на дальнем зеркале идут быстрее (или медленнее), чем на центральном делителе луча. А если гравитационная волна приходит под углом по отношению к детектору, все становится еще сложнее. То есть, нам необходимо всегда учитывать три вклада ГВ в сигнал: смещение зеркала, гравитационное красное смещение и замедление хода времени. Только их сумма даст правильный учет эффекта ГВ.

Но вся сложность тут возникает из-за выбраной точки зрения (системы отсчета). Мы смотрим на то, что происходит со светом с точки зрения наблюдателя, который "сидит" на центральном делителе луча. Но мы можем выбрать другие системы отсчета, и в них физическое объяснение будет иным. Например, есть система отсчета, в которой координаты зеркала и центрального делителя луча не меняются, а весь эффект от гравитационный волны приходится на сам свет. В этом случае нет трех разных компонент, зеркала не смещаются, а есть только набор фазы света под действием проходящей ГВ. Сигнал, который мы получаем на выходе интерферометра, не зависит от выбора системы отсчета. Но кажется, что физика совсем-совсем разная, правда?

Вот в этом и основная загвоздка и странность происходящего. На самом базовом уровне кажется, что все просто: приливная сила и все тут. Но стоит немного углубиться в детали, и все становится гораздо запутаннее. Настолько, что в более общем случае, где гравитационная волна приходит из произвольной точки на небе, эффект неочевиден для большинства ученых, непосредственно работающих с детекторами гравитационных волн. Я как раз закончил новую статью на эту тему, исключительно методологически объясняя происходящее. Скоро поделюсь с вами, там красивые картинки получаются!

Узнал про максимально упоротый экспериментальный метод.

Сперва немного общей информации. Вы наверняка знаете про термоядерные реакторы, которые пытаются строить по всему миру в надежде обрести безопасную, чистую и почти нескончаемую энергию, которая бы решила все проблемы человечества. Вообще до нее осталось всего-то 20 лет. (Это число — константа, справедливо для любого момента времени, когда вы говорите про термояд).

В целом идея всех реакторов — запустить реакцию по типу того, что происходит на Солнце. В норме два атома (например, водорода), не могут сблизиться, так как сила отталкивания между положительными протонами в ядре оказывается слишком сильной. Но если их заставить сблизиться (например, столкнуть друг с другом), преодолев это отталкивание, то на близком расстоянии сила ядерного притяжения (сильное взаимодействие) окажется достаточно большой и два атома образуют один новый. В этом процессе высвободится огромная энергия. Такой процесс происходит в звездах (поэтому они горячие) и такой процесс мы хотим запустить в реакторах.

Одна из концепций для термоядерной станции — токамак. Это такой бублик, внутри которого сверх-сильными магнитными полями поддерживается раскаленная плазма, как в звезде. В ней атомы двигаются достаточно быстро, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание. Я в комменты положу пару фоток реактора. Чтобы атомы не разлетелись во все стороны, плазму надо удерживать в одном небольшом объеме. Из-за высоких температур ни один материал не выдержит такого, поэтому (ну, не только поэтому) плазму поддерживают магнитными полем. Термоядерный процесс в целом очень сложный, и поддерживать его непрерывно очень сложно. Но достаточно потерять контроль над плазмой на долю секунды — и весь процесс становится неуправляемым.

А потеря стабильности плазмы довольно веселая штука: она может коснуться стенок токамака и расплавить их к чертям (и заодно вызвать токи, которые выведут весь девайс из строя). А еще веселее, может возникнуть каскадный процесс производства электронов, которые вырвется в виде пучка такой энергии, что он буквально проделает дырку в стенке (энергии этого пучка достаточно, чтобы расплавить килограмм железа за доли секунды). Такое случалось в реальности.

Разумеется, этого все хотят избежать. Для этого есть автоматизированные системы контроля формы магнитного поля, которые гасят подобные нестабильности в зачатке. Но это не всегда получается. И вот тут ученые придумали совершенно гениальную штуку.

Нестабильность возникает в очень небольшом участке плазмы, и в целом достаточно уменьшить ее плотность, "разбить" рост нестабильности, чтобы она затухла. Раз надо разбить...почему бы не шмальнуть в этот участок из ружья? Какого-нибудь крупнокалиберного? В идеале чтоб пуля была осколочная, чтобы уж точно попасть в нужную область плазмы.

Сказано — сделано. Специальный аппарат замораживает водород, формируя из него пули (3-10 грамм). Они ускоряются сжатым газом до ~300 м/c. На самом конце ствола этой пушки есть изгиб: пули ударяются об него, разбиваются на осколки и летят небольшим облачком прямо в центр нестабильности. Я приложу фотки в комменты ?

Дальше дело за малым — установить штук 20 таких пушек по периметру и стрелять, когда надо. Один минус: подготовка одной пули занимает довольно долго (минут 10-30), это ж надо заморозить много водорода, а он вообще этого не очень любит. Кстати, используется водород, чтобы не требовалось прерывать цикл из-за посторонних веществ внутри камеры.

Честно говоря, я читал статью и завидовал авторам, которым досталась такая игрушка.