Lässt sich LIGO mit Gravitonen erklären?

Wenn die elektromagnetischen Wellen eines Sterns so schwach sind, können nur einzelne Photonen auf einer Fotoplatte nachgewiesen werden.

Beim LIGO-Experiment waren die Gravitationswellen so schwach, dass ich vermutet hätte, dass nur einzelne Gravitonen mit dem Experiment interagieren würden.

Was ich in meiner Naivität erwarten würde, ist, dass anstatt dass der gesamte Apparat um einen kleinen Betrag wächst oder schrumpft, nur Teile davon stochastisch wachsen oder schrumpfen würden. Und was man beobachten würde, wäre, dass einige Photonen länger oder langsamer brauchen würden, um das Ende zu erreichen, aber einige würden sich einfach so verhalten, als ob es überhaupt keine Welle gäbe.

Offensichtlich habe ich etwas falsch. Wie könnte dann LIGO in einem Graviton-Bild der Dinge erklärt werden? Angenommen, die Gravitationswellenquanten sind Gravitonen. Oder widerlegt LIGO andererseits die Existenz von Gravitonen?

Ich bin mir nicht sicher, was Sie in Ihrem 3. Absatz meinen. Aber LIGO widerlegt sicherlich nicht die Existenz von Gravitonen; es bestätigt eher einen Aspekt davon. Siehe physical.stackexchange.com/q/235603/133418
Beim LIGO-Experiment waren die Gravitationswellen so schwach, dass ich vermutet hätte, dass nur einzelne Gravitonen mit dem Experiment interagieren würden. Nein, Menschen haben Schätzungen durchgeführt, die zeigen, dass keine vorhersehbare Technologie jemals einzelne Gravitonen entdecken könnte. Was LIGO entdeckt, ist ein kohärenter Zustand, der aus einer sehr großen Anzahl von Gravitonen besteht.
@ Ben. Exakt. Aber wie viele Gravitonen? Wenn der Stern so weit weg ist, hätten sich die Gravitonen dann nicht verdünnt? Wie ich sehe, hat G. Smith die Berechnungen durchgeführt.

Antworten (1)

Nein, LIGO erkennt keine einzelnen Gravitonen. Es erkennt ziemlich starke Gravitationswellen, die aus einer großen Anzahl von Gravitonen bestehen. Obwohl die Wellen, die die Erde erreichen, eine beträchtliche Energiemenge pro Flächeneinheit haben, verursachen sie nur eine winzige Verformung der Raumzeit, indem sie die Länge von LIGOs Armen um etwa ein Zehntausendstel des Durchmessers eines Protons verändern. Obwohl sie eine winzige Wirkung haben, sollten Sie sie nicht als schwach betrachten.

Die Leistung pro Flächeneinheit in einer monochromatischen Gravitationswelle ist C 3 H 2 F 2 / 8 G Wo C ist die Lichtgeschwindigkeit, H ist die dimensionslose RMS-Amplitude der Gravitationswelle, F ist die Frequenz der Welle, und G ist Newtons Gravitationskonstante. (Siehe Gl. (62) in https://www.sif.it/static/SIF/resources/public/files/va2017/Sutton1.pdf .)

Für GW150914, die erste von LIGO entdeckte Welle, H war über 10 − 21 (was bedeutet, dass die Länge der LIGO-Arme um etwa einen Teil Zoll oszilliert 10 21 ) Und F war etwa 200 Hz. Das Eingeben dieser Zahlen ergibt etwa 2 Milliwatt pro Quadratmeter. Dies ist ungefähr derselbe Fluss wie im Mondlicht während eines Vollmonds ... kein riesiger Fluss, aber ein Fluss im klassischen Maßstab.

Jedes Graviton in einer 200-Hz-Welle trägt nur 1.3 × 10 − 31 Joule. (Multiplizieren Sie die Frequenz mit der Planckschen Konstante.) Auf der Erde bestand die Welle also aus 1.5 × 10 28 Gravitonen pro Sekunde, die jeden Quadratmeter senkrecht zur Linie von den verschmelzenden Schwarzen Löchern zur Erde passieren.

LIGO erkennt „klassische“ Gravitationswellen, wie sie von der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben werden, und sagt uns nichts über Gravitonen. Ihre wahrscheinliche Existenz bleibt eine vernünftige theoretische Annahme, basierend auf der Quantenwellen-Teilchen-Dualität, die für andere grundlegende Wechselwirkungen beobachtet wurde. Wenn LIGO schließlich astronomische Ereignisse entdeckt, die nicht durch GR erklärt werden können, dann wird es uns vielleicht eines Tages Einblicke in die Quantengravitation geben, aber es wird dies nicht durch den Nachweis einzelner Gravitonen tun.

Gute Antwort. Obwohl die Wellen schwach sind, ist die Anzahl der Gravitonen immer noch so groß, dass sie klassisch behandelt werden kann. Ich schätze, man könnte sagen, dass man eine riesige Menge an Energie braucht, um das Gewebe der Raumzeit zu dehnen. Auch eine "schwache" Gravitationswelle ist also sehr stark! Schöner Vergleich auch mit Mondlicht.
10^28 klingt viel, aber in einem Quadratmeter Metallschicht können 10^20 Atome sein. Jede Sekunde passieren also etwa 10 ^ 8 Gravitonen durch oder in der Nähe jedes Atoms. Nun, ich denke, das ist immer noch viel. Aber in m^3 der Materie gibt es ungefähr 10^30 Atome und es wird zu jedem Zeitpunkt ungefähr 10^20 Gravitonen geben. Also befindet sich zu jedem Zeitpunkt nur 1 von 10 ^ 10 Atomen in einem ^ 3-Block neben einem Graviton.
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