Warum sagen wir, Gravitationswellen seien analog zu Schall?

Ich habe die „Schall“-Analogie für Gravitationswellen ausschließlich in meinen populären Vorträgen verwendet – obwohl ich auch erwähnte, dass die Gravitationswellen auf der fundamentalen Ebene elektromagnetischen Wellen ähnlicher sind, weil sie sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und beide Wellen sind ein grundlegendes Feld.

Die "Ton" -Analogie klingt jedoch aus folgenden Gründen für mich weit überlegen:

• Die Frequenz der Gravitationswellen in LIGO liegt tatsächlich in der Größenordnung von 100 Hz, sodass das Signal möglicherweise in ein perfekt hörbares Tonsignal umgewandelt werden kann (es ist das Zwitschern, wenn das Signal des Schwarzen Lochs lang ist, aber die entdeckten Schwarzen Löcher von LIGO waren groß genug und das Signal war kurz, weshalb es eher einem Herzschlag ähnelte)

• Kreaturen, die auf einem Planeten nahe genug an der Quelle der Gravitationswellen (den beiden verschmelzenden schwarzen Löchern) leben, würden das Signal tatsächlich hören (oder hörten es, wenn es einige Beobachter gab) das Signal buchstäblich in Form des Geräusches, das die Gravitationswellen erzeugten der Druck und der Planetenradius oszillieren mit der gleichen Zeitabhängigkeit. Gravitationswellen bewirken wie der Schall die Dehnung und Schrumpfung aller Massen, sind also eine Schallform, die sich auch im Vakuum ausbreitet.

• Für Licht können unsere Geräte (Teleskope plus Augen oder Detektoren) leicht die Richtung identifizieren, aus der das Licht kommt, und wir können immer bestimmte oder die meisten Regionen der (Himmels-)Sphäre abschirmen und nur in eine Richtung schauen. Andererseits hören unsere Ohren den Schall aus dem gesamten Raum und es ist nicht einfach, Schallquellen, die aus einer bestimmten Richtung kommen, „abzuschirmen“. Wir hören immer alle fünf Kinder um uns herum schreien, es gibt keine einfache Möglichkeit, sich zu "fokussieren". Die gleiche Eigenschaft des Schalls gilt auch für die Gravitationswellen. Die LIGO-Detektoren hören den Schall auch aus allen Richtungen gleichzeitig. Hilfreich,

• Die Gravitationswellen unterscheiden sich qualitativ von den elektromagnetischen Wellen, und da die elektromagnetischen Wellen im Allgemeinen mit „Augen“ verbunden sind (obwohl sie Wellen mit vielen Frequenzen enthalten, für die Augen nicht empfindlich sind), ist es natürlich, verschiedene Organe als Symbole zu wählen die Gravitationswellen, und die Ohren sind eindeutig die geeignetsten.

Das Experiment, das angeblich Gravitationswellen nachweisen sollte, wurde von Weber durchgeführt, der versuchte, sie zu messen, indem er die Störungen betrachtete, die in massiven Aluminiumzylindern erzeugt wurden, die offenbar darauf ausgelegt waren, mit einer Frequenz von zu vibrieren$1660 Hz$wenn sie durch die Schwerewellen gestört werden. Bemerkenswert ist jedoch, dass die Sensoren in der Lage sein mussten, eine Längenänderung der Zylinder um etwa zu erkennen$10^{−16}$ $m$also wäre jede Musica universalis nicht sehr laut.

Schauen Sie auch hier nach, insbesondere „Schall hat auch eine Bedeutung in der Geschichte der Gravitationswellendetektion. In den 1970er Jahren baute der Physiker Robert Forward ein rudimentäres Laserinterferometer, einen Vorläufer von LIGO. Er berichtete, dass die Ausgabe des Instruments in der Form eines „breitbandigen analogen Signals im Audiobereich“, das „über einen Kanal eines hochwertigen Stereo-Tonbandgeräts direkt auf Magnetband aufgezeichnet“ und „nach Gehör analysiert“ wurde. Wäre das Interferometer empfindlich genug gewesen, um Gravitationswellen zu erkennen, hätte Forward die historische Entdeckung machen können, indem es sie gehört hätte. Noch heute wandeln Ingenieure bei LIGO ihr Signal in Schall um, nicht zur Erkennung, sondern als Mittel zur Fehlersuche."

Angenommen, Sie haben ein Fabry-Perot- oder Michelson-Morely-Interferometer und messen die Phasendifferenz eines Pfads relativ zu einem anderen. Sie beschließen dann, das Gerät anzuschreien. Sie messen dann eine wellenförmige Änderung der Phasendifferenz in den beiden Pfaden. Dies entspricht der Wirkungsweise einer Gravitationswelle und ist ein Modell des LIGO. Akustische und Gravitationswellen bewirken, dass Massen, die in einiger Entfernung voneinander entfernt sind, eine oszillierende Variation in dieser Entfernung aufweisen.

Natürlich gibt es Abgänge. Akustische Wellen sind longitudinal, während Gravitationswellen transversal sind. Schallwellen sind normalerweise linear und haben die Form$p_{xx} - v^{-2}p_{tt} = 0$für$v$die Geschwindigkeit der Welle und$p$Druck. Gravitationswellen sind nur in schwächster Näherung linear.

Sie sind insofern ähnlich, als sie die oszillierende Bewegung von Testmassen als Reaktion darauf beinhalten. Sie unterscheiden sich jedoch in einigen formalen Aspekten, insbesondere Längs- und Querwellen.