Gravitační vlny, tedy časoprostorové poruchy, které před více než stoletím předpověděl Albert Einstein a jejichž přímá detekce před deseti lety otřásla světovou vědou, si fyzikové obvykle představují jako šířící se vlnění. Nové teoretické poznatky publikované v odborném časopise Physica Scripta však ukazují, že gravitační vlny nemusejí pouze putovat vesmírem. Za určitých podmínek mohou zůstat trvale lokalizované na jediném místě v rovině v rámci jevu známého jako vázané stavy v kontinuu.
- Nová studie teoreticky popisuje vázané stavy v kontinuu (BIC) aplikované na gravitační vlny.
- Koncept nešířícího se vlnění vychází z poznatků v kvantové mechanice a fotonice.
- Matematické řešení vyhovuje Einsteinovým rovnicím pole a zachovává lokální energii i hybnost.
- Drobná narušení symetrie by v budoucnu mohla pomoci s dřívějším odhalováním splynutí spirálovitě se přibližujících dvojic.
Od kvantové mechaniky k Einsteinovým rovnicím
Koncept takzvaných vázaných stavů v kontinuu (BIC) má dlouhou historii. V kvantové mechanice byl poprvé navržen již v roce 1929 a v posledních dvaceti letech zaznamenal prudký rozmach zejména v oblasti optiky a nanofotoniky. Stejné principy lokalizace poruch se však mohou uplatňovat i u akustických či vodních vln a podle nejnovějšího výzkumu jim nic nebrání fungovat ani v zakřiveném časoprostoru.
Podstata tohoto jevu spočívá ve specifické symetrii. Pokud je periodická porucha časoprostoru rozložena tak, že se její interference ve vzdálenějších místech od zdroje dokonale vzájemně odečtou, vlnění do okolí neunikne a zůstává uvězněno v dané oblasti.
Aplikace těchto principů na linearizované Einsteinovy rovnice obecné teorie relativity potvrdila, že takové gravitační poruchy zachovávají lokální energii i hybnost a zůstávají stabilní i při započtení efektů druhého řádu.
Narušení symetrie jako cesta k praktickému využití
Přímo uvězněné stavy jsou od okolního prostředí zcela izolované, což omezuje jejich přímou pozorovatelnost. Klíč ke praktickému využití však představují takzvané kvazi-BIC stavy, které vznikají záměrným nebo přirozeným narušením ideální symetrie systému. Ve fotonice taková drobná odchylka umožňuje lokalizovanému režimu začít interagovat s okolními šířícími se vlnami.
V případě gravitačních vln by existence kvazi-BIC stavů mohla vést k výraznému zesílení časoprostorových poruch. Pro astrofyziky by to znamenalo možnost zachytit signály ze spirálovitě se přibližujících dvojic kompaktních objektů podstatně dříve, než dojde k jejich samotnému splynutí. Podobné principy by navíc mohly sloužit jako zdroj vysokofrekvenčních gravitačních vln nebo pomoci objasnit vztahy mezi gravitací a kvantovými jevy.
Myslíte si, že se vědcům podaří lokalizované gravitační vlny v budoucnu zachytit i v praxi? Podělte se o svůj názor v diskusi.
