Ist es theoretisch möglich, Gravitationsfelder oder Wellen abzuschirmen?

In einer konsistenten Gravitationstheorie kann es keine Objekte geben, die das Gravitationsfeld auf die gleiche Weise abschirmen können wie Leiter das elektrische Feld. Es folgt aus den Sätzen über positive Energie und/oder Energiebedingungen (was ungefähr bedeutet, dass die Energiedichte nicht negativ sein kann).

Um zu sehen, warum, verwenden Sie einfach den Leiter, um ein gewöhnliches elektrisches Feld abzuschirmen - worauf sich Ihr Problem für sehr niedrige Frequenzen der elektromagnetischen Wellen vorübergehend reduziert. Die Grundkurse Elektromagnetismus erlauben es, das elektrische Feld einer punktförmig geladenen Quelle und eines ebenen Leiters zu berechnen: Das elektrische Feld ist identisch mit der ursprünglichen Ladung plus einer "Spiegelladung" auf der gegenüberliegenden Seite der Leitergrenze. Wichtig ist, dass die Spiegelladung das entgegengesetzte Vorzeichen hat. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass das elektrische Feld quer zur Ebene des Leiters verläuft. Diese Tatsache lässt die elektromagnetischen Wellen vom Spiegel abprallen, wenn man zeitabhängige Felder betrachtet.

Wenn Sie eine "analoge" Sache für die Gravitation machen wollten, müssten Sie zuerst entscheiden, welche Randbedingungen Sie dem Gravitationsfeld durch das mysteriöse neue Objekt auferlegen möchten - was ist Ihre Gravitationsanalogie von "$\mathbf E$ist orthogonal zum Leiter". Das metrische Feld hat viel mehr Komponenten. Die meisten von ihnen erfordern, dass Sie eine negative "Spiegelmasse" berücksichtigen - aber die Masse in einem Bereich kann nicht negativ sein, sonst wäre das Vakuum instabil (eins aus dem Vakuum paarweise Regionen negativer und positiver Energie erzeugen könnte, ohne irgendwelche Erhaltungssätze zu verletzen).

Mikroskopisch kann man auch sehen, warum es kein Gegenstück zum Leiter geben kann. Der Leiter ermöglicht eine diskontinuierliche Änderung des elektrischen Felds, da er über die Grenze verteilte Ladungen tragen kann. Der Verlauf der Ladungsdichte geht wie$\sigma\delta(z)$wenn die Leitergrenze an sitzt$z=0$.

Sie würden jedoch eine ähnliche singuläre Massenverteilung benötigen, um ein gravitatives Gegenstück zu konstruieren. Wenn die Verteilung nicht positiv definit wäre, würde sie den Satz über positive Energie oder die Energiebedingungen verletzen, wenn Sie dies wünschen. Wenn es positiv bestimmt wäre, würde es ein riesiges Gravitationsfeld erzeugen. Lokal müsste die Grenze des gravitativen „Leiters“ wie ein Ereignishorizont aussehen. Aber wir wissen, dass die Ereignishorizonte das Innere nicht vor den Gravitationswellen schützen können – die Wellen sowie alles andere fallen in das Schwarze Loch. Darüber hinaus besteht der Preis für eine solche "Nicht-Abschirmung" darin, dass Sie in einer begrenzten Zeit von der Singularität getötet werden müssen.

Man kann wahrscheinlich einige formale Lösungen schreiben, die einige Eigenschaften haben, aber sie können nicht wirklich funktionieren, wenn das gesamte Verhalten der Schwerkraft und die damit verbundenen Konsistenzbedingungen berücksichtigt werden. Einen „Gravitationsleiter“ kann man grundsätzlich nicht konstruieren, weil die Schwerkraft bedeutet, dass der Raum selbst dynamisch bleibt und diese Tatsache nicht rückgängig gemacht werden kann. Insbesondere in einer konsistenten Gravitationstheorie - in der String/M-Theorie - werden Sie keine Objekte finden, die Leiter zur Gravitation verallgemeinern.

Übrigens gibt es ein Objekt, das in der M-Theorie einem "Gravitationsleiter" nahekommt - die Hořava-Witten-Domänenwand, eine mögliche Grenze der 11-dimensionalen Raumzeit der M-Theorie. Es kann platziert werden$x_{10}=0$und über$1/2$der Komponenten des metrischen Tensors werden in der Nähe dieser Bereichswand (Grenze der Welt, die die trägt) unphysikalisch$E_8$Eichmultiplett), da die Domänenwand auch als Orientifold-Ebene fungiert. Aber eine solche orientifold Ebene ist nicht nur ein Objekt (wie ein Leiter), das in einen vorher existierenden Raum "eingefügt" wird, der sich nicht verändert. Ganz im Gegenteil, der Charakter der zugrunde liegenden Raumzeit wird qualitativ verändert: Die Welt hinter der Orientifold-Ebene ist buchstäblich nur eine Spiegelkopie der Welt vor der Ebene.

In all den Antworten, die versuchen, "Ja" zu sagen, steckt also viel grundlegend falsches Denken über die Schwerkraft. Die Schwerkraft ist keine weitere Kraft, die in einen bereits bestehenden geometrischen Raum eingefügt wird; Schwerkraft ist die Krümmung und Dynamik der Raumzeit selbst. Sobald wir sagen, dass der Raum dynamisch ist, können wir keine Objekte finden, die diese grundlegende Annahme der allgemeinen Relativitätstheorie "aufheben" würden.

Es gibt auch einige detailliertere Verwirrungen in den anderen Lösungen. Erstens entspricht ein Weißes Loch einem zeitumgekehrten Schwarzen Loch mit der gleichen (positiven) Masse, aber es ist eine unphysikalische Zeitumkehr, weil es gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstößt: Die Entropie muss zunehmen, was bedeutet, dass das (große Entropie) Schwarze Loch kann geformt, aber nicht "ungeformt" werden. Aber ein weißes Loch, das thermodynamisch verboten ist (und mikroskopisch entspricht es den gleichen Mikrozuständen wie Mikrozustände eines Schwarzen Lochs, sie verhalten sich einfach nie wie ein „Weißes Loch“), ist immer noch etwas anderes als ein Schwarzes Loch mit negativer Masse.

Ein Schwarzes Loch mit negativer Masse ist durch keine "Reflexion" mit einem Schwarzen Loch mit positiver Masse verbunden. Es ist eine Lösung ohne Horizonte, mit einer nackten Singularität, und kann in einer konsistenten Gravitationstheorie nicht vorkommen, weil sie das Vakuum instabil machen würde. (Außerdem können nackte Singularitäten aufgrund der kosmischen Zensurvermutung von Penrose durch keine generische Evolution in 3 + 1-Dimensionen "erzeugt" werden.) Daher sind weiße Löcher und schwarze Löcher mit negativer Masse aus verschiedenen Gründen verboten. Aber selbst wenn man sie in Betracht zieht, würde es immer noch nicht ausreichen, einen "Gravitationsleiter" zu schaffen, der nichts anderes ist, als die Tatsache zu leugnen, dass die Geometrie der Raumzeit dynamisch ist und man nicht unendlich unendlich konstruieren kann.

Eine mögliche Lösung, die mit einem von Kip Thorne diskutierten Problem zusammenhängt, wäre der Bau einer enormen Anordnung von resonanten Stabdetektoren, die die Amplitude der GWs dämpfen, wenn sie hindurchgehen. Wenn es groß genug ist und die Frequenz stimmt, könnten Sie die gesamte Energie absorbieren.

Ein aktiveres Gerät wäre wie ein Noise-Cancelling-Kopfhörer: eine Anordnung von Quadrupol-Oszillatoren, die so abgestimmt werden können, dass sie die eingehenden GWs genau phasenauslöschen und sie effektiv zur Quelle zurückreflektieren.

Dies ist eine interessante Frage. Ich kenne keine eindeutige Antwort, kann Sie aber auf einige (spekulative) Arbeiten hinweisen, die von Raymond Chiao in dieser Richtung durchgeführt wurden. Seine Argumente sind ziemlich faszinierend, und wenn sie am Ende funktionieren, wären die Auswirkungen gelinde gesagt atemberaubend.

Hier sind Links zu zwei seiner Artikel The Interface between Quantum Mechanics and General Relativity und Laboratory-Scale Supraconductor Mirrors for Gravitational Microwaves .

Sein grundlegendes Argument ist, dass das Äquivalenzprinzip eine Aussage über klassische Objekte ist und modifiziert werden muss, wenn man die Dynamik von Quantenobjekten wie den Kupferpaaren in einem BEC betrachtet. Er schlägt vor, dass die Wechselwirkung zwischen Gravitationswelle und einer supraleitenden Oberfläche, auf die sie einfallen, um einen Faktor von verstärkt werden kann$10^{42}$aufgrund dieser Modifikation. Normalerweise würden solche Effekte durch das Verhältnis der Stärken der Gravitationskraft zur elektromagnetischen Kraft ($\sim 10^{-42}$). Aufgrund des anomalen Verhaltens der Kupferpaare eines Supraleiters kann dieser Faktor jedoch zunichte gemacht werden$\mathcal{O}(1)$. Ich überlasse es Ihnen, seine Papiere durchzulesen und festzustellen, ob seine Argumente physikalisch stichhaltig sind.

Die Antwort von @LubosMotl ist großartig! Ich wollte nur noch einen extrem einfachen Punkt anführen.

Sie können ein Gravitationsfeld vollständig "abschirmen", indem Sie einfach eine Masse positionieren, nicht zwischen Ihnen und der Gravitationsquelle, sondern hinter Ihnen, sodass Sie sich zwischen den beiden befinden. Die Massenplatzierung, -verteilung und -größe würde von der genauen Form des Gravitationsfeldes abhängen, das Sie abschirmen. Offensichtlich würde dies für Gravitationsstrahlung nicht funktionieren.

Beachten Sie auch, dass dies nur an einem Punkt funktioniert (oder abhängig von der Geometrie vielleicht ein paar "L" -Punkte oder sogar eine Ebene).

Ich weiß, dass dies eine offensichtliche und einfache Antwort ist, aber sie wurde nicht erwähnt.

Eine mögliche Realisierung für Ihre "Raumzeit-Engineering-Frage" könnten weiße Löcher sein .

Dieses hypothetische Objekt kann durch die Schwarzschild-Metrik beschrieben werden

aber im Gegensatz zu einem Schwarzen Loch interpretiert man die Zeitrichtung umgekehrt - nichts wird jemals in das Objekt eindringen können, so wie nichts jemals ein Schwarzes Loch verlassen wird (ok, vielleicht etwas Hawking-Strahlung und virtuelle Teilchen ...).

Ich habe versucht, eine andere "gewöhnliche Raumzeit" mit Maclaurin-Sphäroiden und gegenläufigen Schwarzen Löchern auf einer Symmetrieachse zu konstruieren (Stationarität für eine stabile Lösung!), Aber meine Fähigkeit, eine solche Situation zu visualisieren, war nicht ausreichend :)
Mit freundlichen Grüßen

Robert

Weitere Hinweise

Für diejenigen, die an experimentellen Realisierungen (im Sinne analoger Gravitation ) von Horizonten weißer Löcher interessiert sind , die Licht über den nichtlinearen Kerr-Effekt in eine bestimmte Region eindringen lassen :

Vorhersage : Philbin et al Fiber-Optical Analog of the Event Horizon , Science 2008 ( arXiv-link )

Realisierungen : Analoge Gravitations- und ultrakurze Laserpuls-Filamentation (EPL) und Hawking-Strahlung von ultrakurzen Laserpuls-Filamenten (PRL).

Angenommen, Sie wären in einem Raumschiff in der Nähe von zwei sich gegenseitig umkreisenden Schwarzen Löchern. Das System zerfällt und erzeugt Gravitationswellen, die Sie wahrnehmen. Wenn die beiden BHs in naher Zukunft endlich verschmelzen, wissen Sie, dass eine Menge Gravitationsstrahlung entstehen wird und die Quadrupol-Oszillation Sie und Ihr Fahrzeug in Stücke zerlegen wird. Es gibt eine Möglichkeit, sich sozusagen davor zu schützen, nämlich schnell aus Dodge herauszukommen! Wenn Sie relativ zu diesem System auf eine hohe Gammageschwindigkeit beschleunigen, werden Sie die entgegenkommende Gravitationsstrahlung in Ihrem Rahmen dopplerverschieben. Wenn die Strahlung Sie mit einer Wellenlänge erreicht$\lambda~>>~L$, zum$L$die Abmessungen Ihres Fahrzeugs vermeiden, dass Sie auseinander gerissen werden.

Elektrische Feldabschirmungen resultieren daraus$\pm e$Ladungen, und ein elektrisches Feld kann durch eine leitende Hülle oder einen Faraday-Käfig gestoppt werden. Ähnlich hoch für magnetische Abschirmungen$\mu$Metalle haben magnetische Dipole, die leiten$B$Felder. Diesen Luxus hat man mit der Schwerkraft nicht. Mit einer Schwerewelle soll es möglich sein, viele Schüttgüter aufzubauen, die schwingen und Energie in Wärme umwandeln. Feynman argumentierte mit Perlen an einem Stab, um zu zeigen, dass Energie von einer Gravitationswelle nachgewiesen werden kann. Gravitationswellen koppeln jedoch sehr schwach an Materie, sodass Sie viel Material benötigen, um eine Gravitationswelle zu dämpfen.

Eine Möglichkeit, sich teilweise vor einer Gravitationswelle abzuschirmen, wäre, sich hinter einem Schwarzen Loch zu verstecken. Hier könnte es aber darum gehen, aus der Pfanne ins Feuer zu springen. Die Gravitationswelle wird das Schwarze Loch jedoch nicht passieren. Was natürlich passieren wird, ist, dass das Schwarze Loch etwas absorbiert$\delta mc^2$von Energie und passen Sie seine Horizontgröße an einen größeren Radius an. Dies wird sich dann in der Reaktion der Raumzeit in der Nähe des Schwarzen Lochs manifestieren, die sich teilweise in Form von Gravitationswellen zeigen wird.

Ja, Gravitationswellen können abgeschirmt werden. Da Gravitonen die Teilchen sind, die mit Materie interagieren können, kann die Materie Gravitonen absorbieren.

Dies würde jedoch von der Wellenlänge abhängen. Für eine einheitliche Substanz würde die Absorptionsrate im Allgemeinen mit der Wellenlänge abnehmen. Die Absorptionsrate kann auch erhöht werden, indem mechanische Oszillatoren mit einer Frequenz in Resonanz mit der von Gravitationswellen konstruiert werden. Solche Oszillatoren würden Gravitationswellen in mechanische Energie umwandeln.

Die Natur der Gravitation ist noch nicht vollständig verstanden.

Aber ich glaube, Sie können mit dem Schwarzen Loch eine Art Schild abschirmen ;-)