Теоретически возможно ли экранировать гравитационные поля или волны?

В последовательной теории гравитации не может существовать никаких объектов, которые могут экранировать гравитационное поле так же, как проводники экранируют электрическое поле. Это следует из теорем о положительной энергии и/или энергетических условий (грубо говоря, плотность энергии не может быть отрицательной).

Чтобы понять, почему, просто используйте проводник, чтобы экранировать обычное электрическое поле - это то, к чему ваша проблема временно сводится для очень низких частот электромагнитных волн. Базовые курсы электромагнетизма позволяют рассчитать электрическое поле точечного заряженного источника и плоского проводника: электрическое поле идентично первоначальному заряду плюс «зеркальный заряд» на противоположной стороне от границы проводника. Важно отметить, что зеркальный заряд имеет противоположный знак. Таким образом, можно гарантировать, что электрическое поле поперечно плоскости проводника. Этот факт заставляет электромагнитные волны отражаться от зеркала, если рассматривать поля, зависящие от времени.

Если бы вы хотели сделать «аналогичную» вещь для гравитации, вам сначала нужно было бы решить, какие граничные условия вы хотите наложить для гравитационного поля таинственным новым объектом — какова ваша гравитационная аналогия «$\mathbf E$ортогонален проводнику». Метрическое поле имеет гораздо больше компонентов. Большинство из них потребует от вас учета отрицательной «зеркальной массы» — но масса в области не может быть отрицательной, иначе вакуум был бы нестабилен (один может создавать пары областей отрицательной и положительной энергии из вакуума, не нарушая никаких законов сохранения).

Под микроскопом также можно увидеть, почему не может быть никакой копии проводника. Проводник позволяет прерывисто изменять электрическое поле, так как он может поддерживать заряды, распределенные по границе. Профиль плотности заряда выглядит как$\sigma\delta(z)$если граница проводника находится на$z=0$.

Однако для создания гравитационного аналога вам потребуется аналогичное сингулярное распределение масс. Если бы распределение не было положительно определенным, оно нарушило бы теорему о положительной энергии или энергетические условия, если хотите. Если бы оно было положительно определенным, оно создало бы огромное гравитационное поле. Локально граница гравитационного «проводника» должна была бы выглядеть как горизонт событий. Но мы знаем, что горизонты событий не могут защитить внутреннюю часть от гравитационных волн — волны, как и все остальное, падают внутрь черной дыры. Более того, цена такой "неэкранированности" в том, что сингулярность должна убить вас за конечное собственное время.

Вероятно, можно написать какие-то формальные решения, обладающие некоторыми свойствами, но они не смогут реально работать, если принять во внимание все поведение гравитации и связанные с ним условия непротиворечивости. Нельзя принципиально сконструировать «гравитационный проводник», потому что гравитация означает, что само пространство остается динамичным, и этот факт нельзя отменить. В частности, в последовательной теории гравитации - в струнной/М-теории - вы не найдете никаких объектов, обобщающих проводники гравитации.

Кстати, есть один объект, близкий к "гравитационному проводнику" в М-теории - доменная стенка Хоржавы-Виттена, возможная граница 11-мерного пространства-времени М-теории. Его можно разместить на$x_{10}=0$и о$1/2$компонентов метрического тензора становятся нефизическими вблизи этой доменной стенки (границы мира, несущей$E_8$калибровочный мультиплет), так как доменная стенка также действует как ориентифолдная плоскость. Но такая ориентифолдная плоскость — это не просто некий объект (вроде проводника), «вставленный» в предсуществующее неизменное пространство. Наоборот, характер лежащего в основе пространства-времени качественно меняется: мир за ориентифолдной плоскостью буквально является лишь зеркальной копией мира перед плоскостью.

Так что во всех ответах, пытающихся сказать «да», много в корне неверного мышления о гравитации. Гравитация — это не другая сила, вложенная в ранее существовавшее геометрическое пространство; гравитация — это кривизна и динамика самого пространства-времени. Как только мы говорим, что пространство динамично, мы не можем найти никаких объектов, которые «отменили бы» это фундаментальное предположение общей теории относительности.

В других решениях также есть более подробные путаницы. Во-первых, белая дыра соответствует обращенной во времени черной дыре с той же (положительной) массой, но это нефизическое обращение времени, поскольку оно нарушает второй закон термодинамики: энтропия должна увеличиваться, что означает, что (большая энтропия) черная дыра может быть сформировано, но не может быть «неоформлено». Но белая дыра, которая термодинамически запрещена (и микроскопически она соответствует тем же микросостояниям, что и микросостояния черной дыры, просто они никогда не ведут себя как «белая дыра»), все же является чем-то иным, чем черная дыра с отрицательной массой.

Черная дыра с отрицательной массой не связана с черной дырой с положительной массой каким-либо «отражением». Это решение без горизонтов, с голой сингулярностью, и оно не может быть реализовано в непротиворечивой теории гравитации, поскольку вызвало бы неустойчивость вакуума. (Кроме того, голые сингулярности не могут быть «произведены» какой-либо общей эволюцией в 3+1 измерениях из-за гипотезы Пенроуза о космической цензуре.) Таким образом, белые дыры и черные дыры с отрицательной массой запрещены по разным причинам. Однако, даже если бы вы их учитывали, их все равно не хватило бы для создания «гравитационного проводника», что есть не что иное, как отрицание того факта, что геометрия пространства-времени динамична, и нельзя свободно конструировать бесконечное,

Одним из возможных решений, связанных с проблемой, обсуждаемой Кипом Торном, было бы создание огромного массива резонансных стержневых детекторов, которые ослабляют амплитуду GW по мере их прохождения. Если он достаточно большой и частота правильная, вы можете поглотить всю энергию.

Более активное устройство похоже на наушники с шумоподавлением: набор квадрупольных генераторов, которые можно настроить на точное фазовое подавление входящих GW, эффективно отражая их обратно к источнику.

Это интересный вопрос. Я не знаю какого-либо определенного ответа, но могу указать вам на некоторую (умозрительную) работу, выполненную в этом направлении Рэймондом Чиао. Его аргументы довольно увлекательны, и если они в конечном итоге сработают, последствия будут, по меньшей мере, захватывающими дух.

Вот ссылки на две его статьи «Интерфейс между квантовой механикой и общей теорией относительности » и « Сверхпроводящие зеркала лабораторного масштаба для гравитационных микроволн» .

Его основной аргумент состоит в том, что принцип эквивалентности является утверждением о классических объектах и ​​должен быть изменен при рассмотрении динамики квантовых объектов, таких как пары Купера в БЭК. Он предполагает, что взаимодействие между гравитационной волной и сверхпроводящей поверхностью, на которую они падают, может быть усилено в несколько раз.$10^{42}$из-за этой модификации. Обычно любые такие эффекты подавляются соотношением сил гравитационного и электромагнитного взаимодействия ($\sim 10^{-42}$). Однако из-за аномального поведения куперовских пар сверхпроводника этот фактор фактически может стать существенным.$\mathcal{O}(1)$. Я оставляю на ваше усмотрение прочесть его документы и определить, физически обоснованы ли его аргументы.

Ответ @LubosMotl великолепен! Я просто хотел добавить еще один чрезвычайно простой момент.

Вы можете полностью «защитить» гравитационное поле, просто поместив массу не между собой и источником гравитации, а позади себя так, чтобы вы оказались между ними. Размещение, распределение и величина массы будут зависеть от точной формы гравитационного поля, которое вы экранируете. Очевидно, что это не сработает для гравитационного излучения.

Также обратите внимание, что это работает только в одной точке (или, в зависимости от геометрии, может быть в нескольких точках «L» или даже в плоскости).

Я знаю, что это очевидный и простой ответ, но он не упоминался.

возможной реализацией вашего «вопроса об инженерии пространства-времени» могут быть белые дыры .

Этот гипотетический объект может быть описан метрикой Шварцшильда

но в отличие от черной дыры вы интерпретируете направление времени наоборот - ничто никогда не сможет войти в объект, как ничто никогда не покинет черную дыру (хорошо, может быть, какое-то излучение Хокинга и виртуальные частицы...).

Я пытался сконструировать другое "обычное пространство-время" со сфероидами Маклорена и вращающимися в противоположных направлениях черными дырами на оси симметрии (стационарность для устойчивого решения!), но моей способности визуализировать такую ​​ситуацию не хватило :)
С уважением

Роберт

Дополнительные примечания

Для тех, кто интересуется экспериментальными реализациями (в смысле аналоговой гравитации ) горизонтов белых дыр, позволяющих свету проникать в определенную область посредством нелинейного эффекта Керра :

Прогноз : Филбин и др. Волоконно-оптический аналог горизонта событий , Наука, 2008 г. ( arXiv-link )

Реализации : Аналоговая гравитация и филаментация ультракоротких лазерных импульсов (EPL) и излучение Хокинга от филаментов сверхкоротких лазерных импульсов (PRL).

Предположим, вы находитесь на космическом корабле вблизи двух черных дыр, вращающихся вокруг друг друга. Система распадается и производит гравитационные волны, которые вы обнаруживаете. Когда две ЧД наконец сольются в ближайшем будущем, вы знаете, что это приведет к сильному гравитационному излучению, и квадрупольные колебания разорвут вас и ваш корабль на куски. Есть один способ оградить себя от этого, так сказать, это быстро выйти из Уклонения! Если вы ускоритесь до высокой гамма-скорости относительно этой системы, вы доплеровски сдвинете встречное гравитационное излучение в вашем кадре. Если излучение достигает вас с длиной волны$\lambda~>>~L$, за$L$размеры вашего корабля вы не будете разорваны на части.

Экраны электрического поля возникают из-за того, что$\pm e$заряды, а электрическое поле можно остановить проводящей оболочкой или клеткой Фарадея. Аналогично для магнитных экранов, высокие$\mu$металлы имеют магнитные диполи, проводящие$B$поля. У вас нет такой роскоши с гравитацией. С гравитационной волной должно быть возможно создать много объемного вещества, которое колеблется и преобразует энергию в тепло. Фейнман использовал аргумент с бусинами на стержне, чтобы показать, что можно обнаружить энергию гравитационной волны. Однако гравитационные волны очень слабо взаимодействуют с материей, поэтому вам нужно много материала, чтобы ослабить гравитационную волну.

Один из возможных способов частично защитить себя от гравитационной волны — спрятаться за черной дырой. Это может быть о том, чтобы прыгнуть из кастрюли в огонь. Однако гравитационная волна не пройдет через черную дыру. Что, конечно, произойдет, так это то, что черная дыра поглотит некоторое количество$\delta mc^2$энергии и настроить размер горизонта на больший радиус. Затем это проявится в реакции пространства-времени вблизи черной дыры, которая будет частично в форме гравитационных волн.

Да, гравитационные волны можно экранировать. Поскольку гравитоны — это частицы, которые могут взаимодействовать с материей, материя может поглощать гравитоны.

Однако это будет зависеть от длины волны. Для однородного вещества скорость поглощения обычно уменьшается с увеличением длины волны. Скорость поглощения также можно увеличить, создав механические осцилляторы с частотой, резонансной с частотой гравитационных волн. Такие осцилляторы преобразовывали бы гравитационные волны в механическую энергию.

Природа гравитации до конца еще не изучена.

Но я считаю, что вы можете защитить своего рода черную дыру ;-)