10. Fale grawitacyjne

Zawieśmy na nitce niewielki ciężarek (odbiornik). Jeżeli zbliżymy do niego masywną kulę (nadajnik) wówczas nitka, na której zawieszony jest ciężarek odchyli się od pionu, ze względu na wzajemne „przyciąganie” ciężarka i kuli. Do ciężarka dochodzi mniej grawitonów od strony kuli niż ze strony przeciwnej.

Szybkość rozchodzenia się oddziaływania grawitacyjnego jest równa szybkości, z jaką poruszają się grawitony, ponieważ oddziaływanie grawitacyjne jest przekazywane za pośrednictwem grawitonów.

Ustawmy kulę w pewnej odległości od ciężarka i wprawmy ją w ruch drgający tak, aby z ustaloną częstością zbliżała i oddalała się od ciężarka. Ilość grawitonów dochodzących do ciężarka od strony kuli zmienia się w zależności od odległości kuli od ciężarka. Siła „przyciągania” zależy od odległości między ciężarkiem a kulą. Dlatego ciężarek będzie okresowo silniej i słabiej „przyciągany” przez kulę i zostanie wprawiony w ruch drgający. Te drgania ciężarka są na ogół silnie tłumione. Jeżyli jednak okres drgań własnych ciężarka jest równy okresowi drgań kuli, wówczas w wyniku rezonansu amplituda drgań ciężarka może być dość duża.

Drgania ciężarka można zamienić na pracę, a więc kula przekazała do ciężarka pewną energię w wyniku oddziaływania grawitacyjnego. To przekazywanie energii zachodzi niezależnie od prędkości rozchodzenia się oddziaływania grawitacyjnego; szybkość tego oddziaływania może być skończona lub nieskończona.

Aby przekonać się czy istnieją fale grawitacyjne możemy zmodyfikować poprzednie doświadczenie. Zawieśmy dwa jednakowe ciężarki (odbiornik) w pewnej odległości od siebie tak, aby obydwa ciężarki i kula znajdowały się na jednej prostej i pierwszy ciężarek znajdował się bliżej kuli niż drugi. Po wprawieniu w ruch drgający kuli zaczną również drgać obydwa ciężarki.

Jeżeli ich maksymalne wychylenia, w stronę kuli, nie zachodzą równocześnie, wówczas istnieje fala grawitacyjna i jej prędkość jest równa odległości d między ciężarkami podzielonej przez odstęp czasu Δt potrzebny drugiemu ciężarkowi do uzyskania maksymalnego wychylenia od chwili, gdy pierwszy ciężarek wychylił się maksymalnie. Jeżeli obydwa ciężarki drgają zgodnie wówczas prędkość oddziaływania grawitacyjnego jest nieskończona i nie ma fali grawitacyjnej.

Te doświadczenia myślowe pozwalają wyjaśnić problemy związane z falami grawitacyjnym, ale nie ulega wątpliwości, że gdyby je rzeczywiście przeprowadzić to ich przebieg byłby całkowicie zgodny z tym, co napisałem.

Doświadczenia należy przeprowadzić tak, aby wyeliminować zewnętrzne czynniki działające na odbiornik fali grawitacyjnej, co jest bardzo trudne. Odbiornik i nadajnik nie muszą być tak prymitywne, ale ten sposób opisania doświadczeń pozwala zrozumieć czy istnieje fala grawitacyjna i czy przenosi pewną energię. Opisane doświadczania można przeprowadzić, ale jest bardzo wątpliwy pomiar prędkości rozchodzenia się oddziaływania grawitacyjnego ze względu na bardzo małą wartość Δt, praktycznie niemożliwą do zmierzenia.

Obydwa odbiorniki teoretycznie mogą wykrywać ewentualne fale grawitacyjne wytwarzane w laboratorium.

Do wykrywania fal grawitacyjnych nadchodzących z kosmosu obydwa odbiorniki nie nadaje się. Fala grawitacyjna dochodząca z kosmosu spowoduje jednakowe przesunięcie ciężarków odbiornika i całego laboratorium łącznie z obserwatorem, w tym samym czasie. Dlatego obserwator żadnego ruchu ciężarków nie zobaczy.

Fala grawitacyjna dochodząca z kosmosu powoduje zmianę odległości między ciałami materialnymi znajdującymi się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się tej fali. Mierząc zmiany tej odległości można wykryć falę grawitacyjną. Ten efekt łatwiej wykryć, gdy odległość między ciałami jest duża. Dlatego urządzenia budowane do wykrywania fal grawitacyjnych są bardzo duże. Oczywiście nie używa się do tego ciężarków, ale na przykład luster ustawionych w dużej odległości od siebie i zmiany ich odległości są odpowiednio wykrywane przy pomocy światła wysyłanego przez laser. Jeżeli lustra oddalają [zbliżają] się od [do] siebie, to równocześnie maleje [rośnie] gęstość cząstek przestrzeni między nimi i wzrasta [maleje] prędkość światła poruszającego się między nimi. Ta zmiana prędkości światła utrudnia wykrycie zmiany odległości między lustrami.

Można zbudować stosunkowo niewielki detektor fal grawitacyjnych, który opisuję w części drugiej 1.5., wykorzystując niezależność masy grawitacyjnej od prędkości.

Fale grawitacyjne dochodzące z kosmosu są bardzo słabe i dlatego niełatwo je wykryć. Nadajnikami fal grawitacyjnych dochodzących z kosmosu mogą być dwie gwiazdy o bardzo dużej masie, znajdujące się blisko siebie, krążących wokół wspólnego środka ich masy, w wyniku oddziaływania grawitacyjnego.

Przez każdy element przestrzeni (obszar przestrzeni o bardzo małych rozmiarach) przelatują grawitony w różnych kierunkach i w różnej ilości dla danego kierunku.

Fala grawitacyjna jest okresową zmianą struktury grawitonów, w każdym elemencie przestrzeni, zarówno co do ich ilości jak i kierunku w którym się poruszają. Te zmiany przemieszczają się z prędkością światła, jeżeli taka jest prędkość grawitonów. Jeżeli w takim elemencie objętości znajdują się cząstki materii lub przestrzeni, to poruszają się zgodnie ze zmianami struktury grawitonów przechodzących przez ten element.

Jeżeli oddziaływanie grawitacyjne rozchodzi się ze skończoną prędkością, to w środowisku cząstek przestrzeni rozchodzi się fala podobnie jak fala dźwiękowa w powietrzu. Analogia nie jest zupełna. Fale dźwiękowe rozchodzą się w powietrzu w wyniku wzajemnego oddziaływania cząstek powietrza, natomiast fala rozchodząca się w przestrzeni powstaje w wyniku oddziaływania cząstek przestrzeni z grawitonami. Ta fala rozchodzi się z taką prędkością, z jaką poruszają się grawitony. Powoduje to okresowe zmiany gęstości cząstek przestrzeni w ustalonym miejscu odbiornika. Ta fala nie oddziałuje z odbiornikiem, ponieważ cząstki przestrzeni nie oddziałują bezpośrednio z cząstkami materii. Zmiana gęstości cząstek przestrzeni powodują zmianę prędkości światła w ustalonym miejscu odbiornika.

Przy pomocy oddziaływania grawitacyjnego energia może być przekazywana również w inny sposób. Księżyc przekazuje energię Ziemi wywołując przypływy i odpływy morskie. Można nawet zbudować niewielką elektrownię wykorzystującą energię tych pływów. Również Ziemia przekazuje energię Księżycowi zmniejszając swoją energię kinetyczną ruchu obrotowego. W wyniku tego przekazu Księżyc oddala się od Ziemi o kilka centymetrów w ciągu roku a Ziemia zmniejsza swoją prędkość obrotową i doba staje się coraz dłuższa.

Zakładam, że grawitony poruszają się z prędkością światła. Stąd wynika, że istnieją fale grawitacyjne i rozchodzą się z taką samą prędkością jak grawitony.