Автор оригинала: Ethan Siegel. Перевод – Вячеслав Голованов. Когда какие-либо два объекта во Вселенной взаимодействуют в одном и том же месте пространства-времени, одно утверждение всегда остаётся верным: это взаимодействие происходит с сохранением энергии. Но что, если один из этих объектов — сущность, порождённая самой тканью пространства-времени, например пульсация, известная также как гравитационная волна? Когда гравитационная волна взаимодействует с материей, энергией или сложным устройством вроде детектора гравитационных волн, может ли сама волна передавать энергию тому, с чем она взаимодействует?

Это увлекательная мысль, и она вдохновила читателя задать следующий вопрос: Когда мы обнаруживаем электромагнитную волну (будь то радиоантенна, глаз или сенсор камеры), мы извлекаем из неё энергию. Происходит ли то же самое с гравитационными волнами?

Должны извлекать. И вот почему.

Вопрос может показаться нелогичным, потому что мы постоянно используем этот термин, но что на самом деле означает «энергия»? Есть много способов определить её, но физику всегда интересует количественное значение терминов: «что она делает» и «насколько» — вот ответы, которые, как мы надеемся, даст хорошее определение. Для энергии наиболее распространёнными являются следующие:

• энергия – это то, чьё количество поступления или выхода из системы в течение определённого времени измеряется мощностью;
• энергия — это способность совершать работу (прикладывать силу, которая толкает объект на определённое расстояние в направлении действия силы);
• энергия — это то, что требуется для того, чтобы вызвать изменения в движении или конфигурации системы.

Она бывает разной — потенциальной (запасённой), кинетической (движения), химической (электронных связей), ядерной (высвобождаемой из атомных ядер) и т. д., — но она универсальна для всех форм материи и излучения.

Этот график энергии фотонов в зависимости от энергии электрона, связанного в атоме цинка, показывает, что ниже определённой частоты (или энергии) фотоны не вылетают из атома цинка. Однако выше определённого энергетического порога (при достаточно коротких длинах волн) фотоны всегда выбивают электроны. При дальнейшем увеличении энергии фотонов электроны выбрасываются с возрастающей скоростью. Пользователь Wikimedia Commons Клаус-Дитер Келлер, создано с помощью Inkscape

Переходы электронов в атоме водорода, а также длины волн получаемых фотонов демонстрируют эффект энергии связи и взаимосвязь между электроном и протоном в квантовой физике. Самый сильный переход водорода — Лайман-альфа (от n=2 до n=1), но второй по силе — видимый: Бальмер-альфа (от n=3 до n=2). Пользователи Wikimedia Commons Szdori и OrangeDog

Относительно просто принять, что энергия переносится электромагнитными волнами, поскольку это, пожалуй, самая хорошо изученная форма излучения, о которой мы знаем. Электромагнитные волны, от гамма-лучей до видимого света и радиочастот, не только взаимодействуют с веществом и передают энергию, но и делают это в виде отдельных пакетов энергии: квантов, а именно — фотонов.

С помощью современных технологий мы постоянно извлекаем и измеряем энергию отдельных фотонов. Сам Эйнштейн впервые провёл критический эксперимент, показав, что даже крошечное количество ультрафиолетового света может выбить электроны из проводящего металла, но более длинноволновый свет, независимо от его интенсивности, не выбивает эти электроны вообще. Свет квантовался в маленькие пакеты энергии, и эта энергия могла передаваться материи и преобразовываться в другие формы энергии.

Фотоэлектрический эффект описывает, как электроны могут ионизироваться фотонами, в зависимости от длин волн отдельных фотонов, а не от интенсивности света, общей его энергии или любого другого свойства. Если квант света обладает достаточной энергией, он может взаимодействовать с электроном и ионизировать его, выбивая его из материала и порождая обнаруживаемый сигнал. Wolfmankurd / Wikimedia Commons

Сегодня мы признаём, что свет — это и электромагнитная волна, и серия частиц (фотонов), и что в обоих случаях он несёт в себе одинаковое количество энергии. Это помогает нам понять, как повседневные явления происходят в контексте энергии.

• Когда видимый свет попадает на сетчатку глаза и стимулирует палочки и колбочки, электроны в молекулах клеток переходят в другую конфигурацию, в результате чего стимулируются определённые нервы и в мозг поступает сигнал (зрительный), на основе которого мозг интерпретирует увиденное.
• Когда радиоволна проходит мимо антенны или через неё, электрические поля, создаваемые волной, заставляют электроны внутри двигаться, передавая энергию в антенну и обеспечивая создание электрического сигнала.
• Когда свет попадает в цифровую камеру, фотоны ударяются о различные пиксели и стимулируют электронные компоненты внутри, передавая им энергию, что приводит к регистрации сигнала — от камеры вашего телефона до камеры на космическом телескопе «Хаббл».

Если так работают электромагнитные волны, то как насчёт гравитационных волн?