Един интересен въпрос: може ли да се извлече енергия от гравитационните вълни?

Когато два обекта във Вселената си взаимодействат на едно и също място в пространство-времето, винаги е вярно едно твърдение. Това взаимодействие протича при запазване на енергията. Но какво ще стане, ако един от тези обекти е обект, генериран от самата тъкан на пространство-времето, например пулсация, известна още като гравитационна вълна? Гравитационна вълна взаимодейства с материята, с енергията или пък със сложното устройство като детектор на гравитационни вълни. Но дали тази вълна сама по себе си може да прехвърли енергия на това, с което взаимодейства? Това е завладяваща мисъл и тя вдъхнови един от читателите на моя сайт да зададе следния въпрос:

Когато регистрираме електромагнитна вълна (независимо дали става дума за радиоантена, око или сензор на камера), ние извличаме енергия от нея. Дали същото нещо не се случва и с гравитационните вълни?

Нека се спрем по-подробно.

Въпросът може да изглежда нелогичен, защото ние непрекъснато използваме този термин, но какво всъщност означава „енергия“? Има много начини за дефинирането ѝ, но физиката винаги се интересува от количественото значение на термините. „Какво прави“ и „доколко“ са отговорите, които, надяваме се, дават една добра дефиниция. За енергията най-често срещаните твърдения са следните:

• енергията е тази, чието внасяне или изнасяне от дадена система за определено време се измерва с мощността;
• енергията е способността за извършване на работа (упражняване на сила, която избутва даден обект на определено разстояние по посока на силата);
• енергията е това, което е необходимо, за да се предизвика промяна в движението или конфигурацията на дадена система.

Тя се среща в много форми – потенциална (съхранявана), кинетична (движени ята), химична ( електронните връзки), ядрена (освобождава се от атомните ядра) и т.н. Но е универсална за всички форми на материята и излъчването.

Сравнително лесно е да приемем, че енергията се пренася чрез електромагнитните вълни, тъй като това е може би най-изследваната форма на излъчване, която познаваме. Електромагнитните вълни – от гама лъчите до видимата светлина и радиочестотите – не само взаимодействат с материята и пренасят енергия. Но и го правят под формата на отделни пакети енергия: кванти, а именно фотони.

С помощта на съвременните технологии ние постоянно извличаме и измерваме енергията на отделните фотони. Самият Айнщайн за първи път провежда критичен експеримент. Той показва, че дори миниатюрно количество ултравиолетова светлина може да изхвърли електроните от проводящ метал. Само че светлината с по-голяма дължина на вълната, независимо от нейния интензитет, изобщо не изхвърля тези електрони. Светлината се квантува на малки пакети енергия и тази енергия може да се прехвърля към материята и да се превръща в други форми на енергия.

Днес знаем, че светлината е както електромагнитна вълна, така и серия от частици (фотони). И в двата случая тя носи едно и също количество енергия. Това ни помага да разберем как ежедневните явления се случват в контекста на енергията.

• Когато видимата светлина попадне върху ретината и стимулира пръчиците и колбичките, електроните в молекулите на клетките променят конфигурацията си. Това води до стимулиране на определени нерви и изпращане на сигнал (зрителен) до мозъка. Въз основа на него мозъкът интерпретира видяното.
• Когато дадена радиовълна преминава покрай или през антена, електрическите полета, създадени от вълната, предизвикват движение на електроните в нея. Това става, като се прехвърля енергия към антената и се гарантира създаването на електрически сигнал.
• Когато светлината попадне върху сензора на цифров фотоапарат, фотоните се удрят в различните пиксели и стимулират електронните компоненти вътре в него. По този начиним прехвърлят енергия към, което води до регистриране на сигнала. От камерата на вашия телефон до камерата на космическия телескоп „Хъбъл“.

Е, добре де, ако електромагнитните вълни действат по този начин, какво да кажем за гравитационните вълни? Има някои прилики между тях, тъй като и двете се генерират, когато заредена (или електрически заредена, или масивна, т.е. „гравитационно заредена“) частица се движи през променящо се поле (електромагнитно или гравитационно, т.е. изкривено пространство). Електроните в ускорителите на частици генерират светлина. А черните дупки, които обикалят една около друга, генерират гравитационни вълни.

Но може да има и разлики. Електромагнитните вълни проявяват квантово поведение, тъй като енергията на тези вълни се квантува в отделните фотони, които съставляват светлината. Гравитационните вълни могат да проявяват квантово поведение и тези вълни могат да се квантуват в отделните частици (гравитони), които изграждат тези вълни, но нямаме доказателства за подобна представа и нямаме практически начин да я проверим.

Но има един извод, който трябва да е верен. Независимо дали гравитацията по своята същност е квантова сила или общата теория на относителността на Айнщайн е наистина фундаментална – е, че тези гравитационни вълни трябва да носят енергия. Това не е тривиално заключение, но има три доказателства, които ни водят до него. Това са един теоретичен напредък, един клас непреки измервания и един вид пряко измерване, които са затворили всички останали пропуски.

Спомнете си, че въпреки че бяха предсказани още в средата на 10-те години на миналия век, никой не знаеше дали гравитационните вълни са физически реални или са само математически предсказания без физически аналог. Дали тези вълни са реални и дали могат да прехвърлят енергия в реални, измерими частици? През 1957 г. се провежда първата американска конференция, посветена на общата теория на относителността, известна днес като GR1. И Ричард Файнман, един от големите пионери на квантовата теория на полето, измисли това, което сега е известно като „аргумента с лепкавите топчета“.

Представете си, че имате тънка пръчка (или две тънки пръчки, взаимно перпендикулярни) с две мъниста в двата края на пръчката. Едното мънисто е фиксирано към пръчката и не може да се движи, а другото може да се движи свободно спрямо пръчката. Ако една гравитационна вълна премине перпендикулярно на ориентацията на пръчката, разстоянието между мънистата ще се промени, тъй като пространството се разтяга и компресира от гравитационната вълна.

Но сега нека си спомним за триенето. В действителност два макроскопични обекта, които са във физически контакт един с друг. Тоест ще изпитват сблъсъци и взаимодействия – поне между електронните си облаци – което означава, че системата мънисто-пръчка ще се нагрява, докато мънистото се движи по пръчката. Тази топлина е форма на енергия, а енергията трябва да идва отнякъде и единственият очевиден източник са гравитационните вълни. Гравитационните вълни не само пренасят енергия, но и могат да я прехвърлят към системи, изградени от обикновена, обикновена материя.

Следващият скок напред дойде с наблюдението на двойните пулсари. Две неутронни звезди, които не само обикалят една около друга, но и при всяко завъртане излъчват радиоимпулси, които успешно можем да регистрираме тук, на Земята. Чрез измерване на свойствата на тези импулси с течение на времето можем да реконструираме орбитите на тези неутронни звезди и как тези орбити се променят с течение на времето.

Забележително е, че откриваме, че орбитите се разпадат, сякаш нещо отнема орбиталната им енергия. Изчисленията от общата теория на относителността (плътната линия, по-долу) и наблюденията (точките с данни, по-долу) потвърдиха изричните количествени прогнози за енергията, отнесена от гравитационните вълни. Конкретните прогнози за количеството енергия, което те пренасят от източника, бяха потвърдени първо от една, а сега и от множество орбитиращи двойни системи.

Но оставаше да се провери още една стъпка. Какво всъщност става с преноса на енергия от гравитационните вълни към материята? Това е ключова стъпка, която трябва да се осъществи, за да могат детекторите на гравитационни вълни – като LIGO на Националната научна фондация – да работят. На милиард светлинни години от нас две черни дупки с маси 36 и 29 слънчеви маси са се слели. Превръщайки масата на около три слънца в чиста енергия.

Когато тези вълни достигнаха Земята, те се разпространиха така, че само 36 милиона джаула енергия попаднаха върху цялата планета. Приблизително толкова, колкото Манхатън получава през деня от 0,7 секунди слънчева светлина. Огледалата в детекторите на LIGO се преместват едно спрямо друго с по-малко от една хилядна от ширината на протона, което променя траекторията на светлината и съвсем леко променя енергията на фотоните. Във всеки детектор попадна по-малко от един микроджаул. И все пак това бе достатъчно, за да се постигне надеждно откриване не само от първия път, но и в повече от 50 независими случая.

Единственият начин за пряко откриване на гравитационна вълна или на какъвто и да е сигнал е да се въздейства физически върху системата, предназначена за измерването ѝ. Но всички наши системи за откриване са изградени от материя и предизвикването на физическа промяна в тази система е равносилно на промяна на нейната конфигурация: изисква приток на външна енергия. Независимо от метода, откриването винаги изисква внасяне на енергия.

За да работят детекторите на гравитационни вълни, трябва да са верни три неща. Гравитационните вълни трябва да носят енергия, тази енергия трябва да е достатъчна, за да повлияе на детектора по времето, когато пристигне на Земята. И така трябваше да изградим достатъчно интелигентен детектор, който да извлече тази енергия и да я превърне в наблюдаем сигнал. Забележително е, че от първото възникване на идеята до директното откриване на сигнала за човечеството измина само един век.