Es gibt eine Reihe von Fragen im Internet und auf dieser Website, die sich mit der Frage befassen, wie die LIGO-Interferometermessung funktioniert, da die Gravitationswelle sowohl die Länge der Interferometerarme als auch die Wellenlänge des Lichts in den Armen ausdehnt. Wenn die Gravitationswelle die Länge des Interferometerarms verändert, sich aber auch die Striche auf dem Lineal (Raumperioden des Lichts) ausdehnen, würden Sie aufgrund der Gravitationswelle keinen Längenunterschied bemerken. Dies ist ein gut untersuchtes Paradoxon, das oft in Bezug auf Diskussionen über Gravitationswellenmessungen auftaucht.
Bei dieser Frage geht es darum, dass ich die scheinbare Lösung dieses Paradoxons nicht verstehe. Lassen Sie mich das Fundament legen, und jemand kann mir sagen, wo ich in die Irre gehe.
Die Lösung des scheinbaren Paradoxons liegt offenbar darin, dass nicht die Länge der Arme gemessen wird, sondern die Zeit, die das Licht im Arm verbringt.
Stellen Sie sich ein Michelson-Interferometer mit zwei langen Armen vor . Ein kurzer Lichtimpuls teilte sich in die beiden Arme auf wird Zeit brauchen jeden Arm zu durchqueren.
Wenn Dann und die beiden Lichtimpulse werden gleichzeitig am Detektor ankommen.
Wenn eine Gravitationswelle vorbeikommt, dann haben wir
In diesem Fall
Das sehen wir also . Zwischen den beiden Impulsen gibt es eine Zeitverzögerung.
Somit ist es eindeutig möglich, das Vorhandensein einer Gravitationswelle mit Hilfe von Lichtimpulsen zu messen, die die beiden Arme hinuntergeschickt werden.
Was ich nicht verstehe, ist, wie dieses Bild immer noch funktioniert, wenn wir von Lichtimpulsen zu kontinuierlichen Lichtstrahlen wechseln. Das Argument ist ungefähr, dass die Zeit, die in einem gegebenen Interferometerarm verbracht wird, in eine Phase übersetzt wird, die in einem gegebenen Interferometerarm gesammelt wird. Da die in jedem Arm verbrachte Zeit leicht unterschiedlich ist, ist die in jedem Arm gesammelte Phase unterschiedlich, diese Phasendifferenz wird dann am Detektor gemessen.
Ich verstehe das, aber hier ist mein Problem. Ich denke, wir haben so etwas wie
Das heißt, die in einem bestimmten Arm gesammelte Phase ist die Lichtfrequenz in diesem Arm multipliziert mit der in diesem Arm verbrachten Zeit. Wenn dann ist klar, dass aufgrund der unterschiedlichen Zeit, die in jedem Arm verbracht wird, eine messbare relative Phase auftreten kann.
Ich habe mich jedoch irgendwie davon überzeugt, dass sich die Lichtfrequenzen in jedem Arm so ändern, dass der Effekt aufgehoben wird der gleiche Faktor wie die gesamte Armlänge. Also das ist:
Wir wissen, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist
Seit
Wir haben
Das heißt, es gibt keine Differenzphase zwischen den zwei Pfaden und es wird kein Effekt erfasst. Grundsätzlich fragt das ursprüngliche Paradoxon, wie die Längenänderung durch Licht gemessen wird, wenn sich das Längenlineal (Raumdauer des Lichts) auf die gleiche Weise ändert. Die scheinbare Auflösung besteht darin, dass nicht die Länge gemessen wird, sondern die Zeit. Aber es scheint mir, dass sich das Zeitlineal (zeitliche Lichtperioden) in genau kompensierender Weise ändert, damit der Effekt auch im Zeitbereich verschwindet.
Wo gehe ich falsch?
bearbeiten: Antwort auf mögliche doppelte Identifizierung: Während die Frage und Antworten in LIGO durch die identische Ausdehnung von Laserwellenlänge und -armen in Gegenwart einer Gravitationswelle fehlerhaft waren? beziehen sich sehr auf meine Frage, sie beantworten nicht die Frage, die ich hier stelle. Darauf weist die Antwort von Kyle Kanos hin aber es gibt keine Diskussion über die Möglichkeit, dass die Frequenz des Lichts in den zwei verschiedenen Armen unterschiedlich ist. Es wird davon ausgegangen, dass es sich um dasselbe handelt.
Weitere Gedanken, die ich hatte: Ich habe mir die Vorlesungsnotizen von Kip Thorn angesehen: http://www.pmaweb.caltech.edu/Courses/ph136/yr2012/1227.1.K.pdf
Ich glaube, meine Verwirrung hängt mit der Diskussion über die transversale spurlose (TT) Spurweite und die lokale Lorentz (LL) Spurweite zusammen. Es scheint, dass im TT-Messgerät die Wellenlänge des Lichts wie oben beschrieben geändert wird, die Frequenz jedoch nichtgeändert. Zu meiner großen Überraschung sieht es dann so aus, als ob die Lichtgeschwindigkeit in den beiden verschiedenen Armen tatsächlich unterschiedlich ist. Wenn das, was ich hier sage, richtig ist, wäre die Antwort auf meine Frage, dass ich falsch liege, wenn ich annehme, dass die Lichtgeschwindigkeit in beiden Armen gleich ist. In der LL-Lehre sieht es so aus, als wäre die einfachste Art, sich die Dinge vorzustellen, die Länge der beiden Arme zu ändern, aber weder die Wellenlänge noch die Frequenz des Lichts ändern sich. Diese Erklärung macht für mich am meisten Sinn und wird oft von LIGO beschrieben. Es scheint schön, sich keine Sorgen machen zu müssen, dass das Licht selbst von der Gravitationswelle beeinflusst wird ...
edit2: Weitere Informationen zum Messgerät TT vs. LL finden Sie in dieser Antwort. Dies kann die Antwort auf meine Frage sein, wenn meine obige Beschreibung der Erklärung der beiden Messgeräte korrekt ist: in TT die Lichtgeschwindigkeit und die Wellenlänge (aber nicht die Frequenz) . in den beiden Armen ändert sich, aber die Länge der beiden Arme ist fest, während in LL die Lichtgeschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz alle konstant sind, während die Länge der beiden Arme variiert.
Die Frequenz des Lichts ist in jedem Arm (fast) unverändert.
Das Gedankenexperiment besteht darin, sich eine Gravitationswelle als Sprungfunktion vorzustellen, die die Länge der Arme (genauer gesagt den Abstand zwischen den Trägheitstestmassen) und die Wellenlänge des bereits im Instrument befindlichen Lichts abrupt ändert .
Licht, das nach dem Sprung in das Instrument eintritt, hat jedoch eine unveränderte Frequenz und Wellenlänge, da die Gravitationswelle keinen Einfluss auf Prozesse hat, die auf atomarer Ebene im NdYAG-Laser ablaufen.
Solange das Licht weniger Zeit in den Armen verbringt als die Zeit, die die Arme benötigen, um ihre Länge signifikant zu ändern, ist die Annahme einer festen Frequenz richtig.
Für ein einfaches Interferometer bedeutet dies:
Dies muss natürlich modifiziert werden, wenn ein Fabry-Perot-Resonator verwendet wird, was effektiv bedeutet, dass das Licht viele Male hin und her wandert (mehrere hundert Mal für aLIGO), was zu einer Gesamtweglänge von etwa 1500 km führt. Das bedeutet, dass die Empfindlichkeit des Interferometers bei Gravitationswellenfrequenzen über etwa 200 Hz abzunehmen beginnt .
Bei einer kontinuierlichen Laserlichtwelle wird eine abfallende Flanke der Sinuswelle (der Amplitude des elektrischen Felds) vom Laser in zwei abfallende Flanken (am Teilerspiegel) geteilt und geht dann die beiden Arme hinunter. Die abfallende Flanke der Sinuswelle verhält sich für das Zeitverzögerungsargument wie die Vorderflanke Ihres Pulses.
Der zweite Teil Ihrer Frage, in dem ein konstantes c und entgegengesetzt gespannt ist , Ertrag hat mich auch verwundert, aber aus einem anderen Grund. Während Sie zu dem Schluss kommen, dass jede GW-Phasenverschiebung zwischen den beiden Pfaden eliminiert wird, kann ich nicht verstehen, wie der passive Teilerspiegel bei Vorhandensein einer konstanten GW-Dehnung eine Eingangsfrequenz von Laserlicht in zwei verschiedene Ausgangsfrequenzen umwandelt! Ich habe dies in einer Physik-Stack-Frage gestellt: Wie verursacht der Splitter-Spiegel von LIGO zwei unterschiedliche Frequenzen, wenn ein GW vorhanden ist? , habe aber keine Antworten erhalten.
Aufgrund des Teilerspiegels schließe ich, dass in Anwesenheit des GW, . Dann entweder:
1) c ist an beiden Armen gleich und daher . Dies widerspricht der Standardargumentation auf der LIGO-Website und in LIGO-Gesprächen, die sagen Weil Belastungen wie die Armlängen (ich denke mit gesundem Menschenverstand, da ich kein GR-Argument dafür kenne). Allerdings, selbst wenn , benötigt die Vorderkante des Laserlichts entlang der beiden Arme unterschiedliche Zeiten, und das Interferenzmuster ändert sich … daher kann LIGO GWs erkennen.
ODER
2) und deshalb . Es ist seltsam, zwei Lichtgeschwindigkeiten zu haben, da wir es gewohnt sind zu sagen: "Die Lichtgeschwindigkeit ist in allen Referenzrahmen gleich ... die durch eine Lorentz-Transformation in Beziehung stehen, die die Minkowski-Metrik unverändert lässt". Die durch GWs und Schwarzschild-Massen verursachten Dehnungen verändern die Minkowski-Metrik (und damit c), wie durch die Shapiro-Verzögerung belegt wird, bei der ein weit entfernter Beobachter sieht, wie sich das Licht verlangsamt, wenn es sich der Sonne nähert. Wenn , dann kann man durch ein Argument, das Ihrem etwas ähnlich ist, zeigen, dass Licht entlang des verlängerten Arms schneller und entlang des kürzeren Arms langsamer verläuft, sodass die Vorderkante des Laserlichts entlang beider Arme die gleiche Zeit benötigt und sich das Interferenzmuster nicht ändert … daher kann LIGO keine GWs erkennen.
Da LIGO GWs entdeckt zu haben scheint, scheint Argument (1) richtig zu sein, und wird nicht durch ein GW strapaziert. Das GW verlässt c, , Und das gleiche an beiden Armen, und nur die Länge der Arme ändert sich. Da sich die Länge der Arme geändert hat, habe ich an die Lokale Lorentzlehre gedacht.
Während astrophysikalische elektromagnetische Wellen typischerweise viel kleiner als ihre Quellen sind und von einigen Kilometern bis zu subnuklearen Wellenlängen reichen, sind Gravitationswellen größer als ihre Quellen, mit Wellenlängen, die bei einigen Kilometern beginnen und bis zur Größe des Universums reichen.
Dies soll verdeutlichen, dass es einen großen Wellenlängenunterschied zwischen elektromagnetischen und Gravitationswellen gibt.
Die LIGO-Laser
Der Laserstrahl, der in die Interferometer von LIGO eintritt, beginnt in einer Laserdiode, die Elektrizität verwendet, um einen 4 Watt (W) starken 808-nm-Laserstrahl im nahen Infrarot zu erzeugen
Bis die Gravitationswelle einen Zyklus von beispielsweise Kilometern Wellenlänge (die niedrigste Schätzung oben) durchlaufen hat, hat der Laser Zillionen von Photonen emittiert, die einen Zug von mindestens einer Million Spitzen und Tälern bilden. Was eine einzelne Wellenspitze angeht, ändert sich die Schwerkraft für zwei gleichzeitig eintreffende Pulse nicht, sodass sich die Frequenz des Lasers während der Zeitmessungen nicht ändert. Soweit die Photonen geht, sehen sie zumindest ein stetiges Gravitationsfeld im Inneren , der Exponent viel negativer, wenn man die Größe der Quellen berücksichtigt.
Zumindest verstehe ich das intuitiv so und vertraue bei der exakten Darstellung auf die Berechnungen des LIGO-Teams.
G. Smith
G. Smith
Jägerber48