Slapové síly nesou matematický podpis gravitačních vln

gravitační vlny Getty

V únoru 2016 oznámil mezinárodní tým fyziků první přímé pozorování gravitačních vln. Vlny byly vytvořeny gigantickou srážkou dvojice černých děr, každá o hmotnosti 30krát větší než hmotnost Slunce – rozbití tak kataklyzmatické, že způsobilo vlnění tkaninou časoprostoru.

Objev byl triumfem fyzikální komunity. Dlouho věděli, že Einsteinova teorie obecné relativity naznačuje, že vlnění v časoprostoru je možné. Tyto vlny stlačují a roztahují prostor o vzdálenosti menší, než je šířka protonu. Aby je fyzici odhalili, vybudovali síť extrémně citlivých detektorů, které stály hodně přes miliardu dolarů. Takže objev prvních vln v roce 2016 byl úlevou i významným úspěchem.

Nyní dva fyzici říkají, že gravitační vlny se celou dobu schovávaly na očích. Rituparno Goswami z University of KwaZulu-Natal a George Ellis z University of Cape Town, oba v Jižní Africe, dnes pomocí některých matematických kouzel ukazují, že slapové síly jsou gravitační vlny. Jsou to stejné síly, které způsobují, že hladina moří stoupá a klesá, když se Měsíc pohybuje kolem Země. Slapové síly jsou ve skutečnosti skrytou formou gravitačních vln, říkají.

Nejprve nějaké pozadí. Newtonova teorie gravitace je založena na myšlence, že všechny hmoty generují přitažlivou gravitační sílu vysvětlující širokou škálu jevů: trajektorii padajícího jablka, pohyb planet kolem Slunce a tak dále.

Newtonova teorie také vysvětluje příliv a odliv. Ty jsou výsledkem způsobu, jakým se gravitační síly mění se vzdáleností: strana Země přivrácená k Měsíci zažívá o něco silnější gravitační přitažlivost než strana odvrácená pryč. Výsledkem je jakési protažení, které táhne oceány sem a tam, jak se Země otáčí.

Goswami a Ellis začínají poukazem na to, že Newtonova teorie nezohledňuje důležitý fyzikální zákon – že nic se nemůže pohybovat rychleji než rychlost světla, dokonce ani gravitační síly. Takže chvíli trvá, než gravitační síly Měsíce dosáhnou Země. Žádný vliv nemůže cestovat rychleji než rychlost světla: slapový vliv nemůže být okamžitý, říkají fyzici.

Einstein nejprve formuloval tuto kosmickou rychlostní hranici ve své speciální teorii relativity a později ji začlenil do své obecné teorie, která slavně popisuje gravitaci jako druh zkreslení struktury časoprostoru. To okamžitě vedlo k myšlence, že tato látka může podporovat vlnění podobné vlnám.

Goswami a Ellis říkají, že slapové síly jsou formou gravitačního záření. Ale aby to byly vlny, musí se měnit v čase zvláštním způsobem, který diktuje obecná teorie relativity. Fyzici dále matematicky ukazují, že slapové síly mají přesně tyto vlastnosti, i když v mnohem menším měřítku než vlny generované srážkami černých děr. Výsledek je sice trochu technický, ale přesto zajímavý.

Goswami a Ellis v podstatě říkají, že slapové síly jsou nízkofrekvenční gravitační vlny. Tato teorie přináší některé předpovědi, které se liší od Newtonovy příchuti gravitace. Goswami a Ellis například poukazují na to, že slapovým silám by mělo trvat 1,3 sekundy, než se dostanou z Měsíce na Zemi. A pokud by byl oceán všude rovnoměrně hluboký bez kontinentů, příliv a odliv by zaostával za pozicí Měsíce na obloze o 0,66 obloukové vteřiny, říkají. To je asi šířka penny při pohledu ze dvou kilometrů.

Takový účinek může být měřitelný, ačkoli Goswami a Ellis nerozšiřují svou analýzu, aby navrhli jak. Znamená to však, že účinky gravitačních vln lze spatřit mnohem snadněji, než si kdokoli představoval. Den u moře, někdo?

Ref: arxiv.org/abs/1912.00591 : Slapové síly jsou gravitační vlny

skrýt