Zerstreuen/brechen sich Gravitationswellen (wie EM-Wellen in einem Prisma)?

Ich habe diese Frage gelesen:

Welche Beziehung besteht zwischen einer Gravitationswelle und einem Graviton?

wo kingledion sagt:

Gravitationswellen wurden vor einem Jahrhundert theoretisiert und kürzlich entdeckt, was zur Verleihung des Nobelpreises für Physik 2017 führte. Laut Wikipedia: Gravitationswellen transportieren Energie als Gravitationsstrahlung, eine Form von Strahlungsenergie ähnlich der elektromagnetischen Strahlung.

Warum funktionieren Prismen (warum ist die Brechungsfrequenz abhängig)?

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wo Ben Crowell sagt:

Was tatsächlich beobachtet wird, ist die Überlagerung dieser Welle mit der einfallenden Welle. Diese Überlagerung besteht aus zwei Teilen, einer reflektierten und einer übertragenen Welle. Im Grenzfall eines Mediums mit geringer Dichte (z. B. Gas) ist der Brechungsindex gegeben durch n2=1−ω2pf(ω), wobei ωp, Plasmafrequenz genannt, gegeben ist durch ω2p=Ne2/mϵ0, wobei N ist die Anzahldichte der Elektronen. Die Plasmafrequenz enthält ein e/m von der Amplitude des angesteuerten harmonischen Oszillators und einen weiteren Faktor von e, da die Amplitude der reemittierten Welle proportional zu der oszillierenden Ladungsmenge ist. Im Fall von Quarzglas denke ich, dass die 0,1-μm-Resonanz wahrscheinlich das ist, was durch den obigen Mechanismus beschrieben wird, während die anderen Resonanzen mathematisch ähnlich sind, aber andere Effekte als die Oszillation gebundener Elektronen beinhalten. Z.B, Die Si-O-Si-Brücken würden aufgrund der größeren Trägheit der Kerne im Vergleich zu Elektronen bei einer niedrigeren Frequenz mitschwingen. Das Obige scheint darauf hinzudeuten, dass bei der Wechselwirkung von EM-Wellen mit Materie ein sehr universelles Verhalten vor sich geht.

wo annav sagt:

Ein Photon, das auf die Oberfläche des Gitters auftrifft, findet nicht zwei Schlitze, sondern eine Tiefe von durchgehenden Schlitzen. Der beobachtete Effekt der unterschiedlichen Winkelverteilung je nach Auftrefffrequenz des Photons muss das Ergebnis der quantenmechanischen Interferenz des Photons sein, die in dem durch seine Frequenz und seinen Brechungsindex gegebenen Brechungswinkel konstruktiv und überall sonst destruktiv sein muss , sonst würden wir Interferenzstreifen sehen (tatsächlich bekommen wir einen zweiten Regenbogen, aber das ist eine andere Geschichte :) , sollte aber ähnlich sein). Dann reduziert sich das Problem auf die Erklärung der Frequenzabhängigkeit. Ich werde noch einmal mit der Hand winken und sagen, dass die Abstände im Interferenzmuster der Wahrscheinlichkeitswelle umso größer sind, je kleiner die Frequenz ist.

Jetzt gibt es eine klassische und eine QM-Erklärung sowohl für die Dispersion/Brechung von EM-Wellen/Photonen durch ein Prisma.

In der Optik ist Dispersion das Phänomen, bei dem die Phasengeschwindigkeit einer Welle von ihrer Frequenz abhängt. In der Optik ist eine wichtige und bekannte Folge der Dispersion die Änderung des Brechungswinkels verschiedener Lichtfarben 2 , wie sie im Spektrum zu sehen sind erzeugt durch ein dispersives Prisma und in der chromatischen Aberration von Linsen. Das bekannteste Beispiel für Dispersion ist wahrscheinlich ein Regenbogen, bei dem die Dispersion die räumliche Trennung eines weißen Lichts in Komponenten unterschiedlicher Wellenlängen (verschiedene Farben) bewirkt.

https://en.wikipedia.org/wiki/Dispersion_(Optik)

Nun, selbst in der klassischen Erklärung von EM-Wellen ist es leicht zu erklären, warum die Wellenlänge verschiedener EM-Wellen die Dispersion erzeugt, die wir in einem Prisma sehen.

Jetzt wurden GW experimentell beobachtet, sie existieren.

Ich habe nichts darüber gefunden, ob GWs aufgrund ihrer Wellenlänge gestreut werden. Einige GWs haben ihre eigene spezifische Wellenlänge, und einige müssen eine Kombination aus Wellen unterschiedlicher Wellenlänge sein (so wie weißes Licht eine Kombination aller EM-Wellen mit sichtbarer Wellenlänge ist).

Nun, wenn wir bereits GWs beobachtet haben, haben wir ihre Ausbreitung beobachtet, sie müssen denselben physikalischen Gesetzen gehorchen, und sie müssen sich zerstreuen, wenn sie die Medien wechseln.

Die Phase von Gravitationswellen im dispersiven Fall und im nicht-dispersiven Fall und Dephasierung zwischen zwei Wellenformen. Die Gesamtmasse M=106 M⊙, das symmetrische Massenverhältnis ν=10−5, e=0.5, p=12M und a=0.9. Wir setzen DL=1,00 Gpc, wobei Z≈0,20 und D≈0,83 Gpc. Die Compton-Wellenlänge des Gravitons λg=1,6×1013 km. Die cyanfarbenen, orangefarbenen und roten Kurven repräsentieren die Phase bzw. Dephasierung der Nicht-Dispersion, der Dispersion.

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Gravitationswellen könnten im Prinzip bei jeder Frequenz existieren. Wellen mit sehr niedriger Frequenz wären jedoch unmöglich zu erkennen, und es gibt keine glaubwürdige Quelle für nachweisbare Wellen mit sehr hoher Frequenz.

https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitationswelle

http://inspirehep.net/record/1708562/plots

Frage:

  1. Zerstreuen sich GWs am Rand verschiedener Medien (wie EM-Wellen in einem Prisma)?

  2. Haben wir jemals experimentell gesehen, wie sich GWs mit unterschiedlichen Wellenlängen am Rand verschiedener Medien ausbreiten?

Antworten (2)

In der Physik bezeichnen wir jede physikalische Störung einer Größe als Welle, die sich durch Raum oder Zeit oder oder beides ausbreitet und die der Wellengleichung von D'Alembert oder einer Verallgemeinerung davon gehorcht.

Diese Gleichung kümmert sich nicht um die Störungen auf dem Wasser (Meereswellen), den Luftdruck (Schallwellen), die mechanischen Spannungen der Erdkruste (sismische Wellen), die Feldlinien des elektromagnetischen Feldes (Licht ) oder auf die Krümmung der Raumzeit (Gravitationswellen). Für eine feste Anzahl von Dimensionen liefert diese Gleichung für alle die gleichen Vorhersagen. Es kann Polarisation, Beugung, Brechung, Kohärenz, Reflexion und andere Phänomene geben, der einzige große Unterschied besteht darin, welche Geräte oder physikalischen Systeme dafür verantwortlich sein sollten.

Gravitationswellen unterscheiden sich in einigen grundlegenden Aspekten von elektromagnetischen Wellen. Zum Beispiel; die Dehnung einer Gravitationswelle hängt ab R 1 während die Intensität des Lichts davon abhängt R 2 (Wo R ist der Abstand des Detektors von der Quelle). Hinzu kommt die Tatsache, dass Materie für Gravitationswellen jeder Frequenz durchlässig ist. Aber dennoch können wir einige der gemeinsamen Phänomenologien retten.

Wir wissen jetzt, dass Gravitationswellen mit Mikrowellenfrequenzen (die für alle bekannten astrophysikalischen Phänomene immer noch so hoch sind) von dünnen supraleitenden Filmen reflektiert werden können. Die Gravitationswellen bewegen Materie und Materie, die ihre Bewegungen ändert, erzeugt Gravitationswellen, der Gesamteffekt kann eine kohärente Reflexion von diesen Filmen ergeben (genau wie elektromagnetische Wellen reflektieren, weil das oszillierende elektrische Feld Ladungen im Spiegel bewegt und diese wiederum ihre eigenen erzeugen Elektromagnetische Wellen).

Siehe dieses Forschungspapier: Existieren Spiegel für Gravitationswellen?

Es ist auch bekannt, dass sich Licht auf gekrümmten Geometrien der Raumzeit auf nicht geraden Bahnen bewegen kann. Beispielsweise kann Licht in der sogenannten Photonensphäre einen Vollkreis um ein Schwarzes Loch ziehen . Und es ist auch bekannt, dass es sogar Lösungen gibt, bei denen ein Lichtstrahl nach der Umrundung des Schwarzen Lochs zur aussendenden Quelle zurückkommen kann.

Die Umgebung eines Schwarzen Lochs kann also wie ein Spiegel wirken (man kann sich selbst sehen). Dasselbe gilt für Gravitationswellen, sie werden so stark gebeugt, dass sie dorthin zurückkehren könnten, wo sie hergekommen sind. Schwarze Löcher sind also Spiegel für größere Gravitationswellen, nur ein sehr komplizierter Spiegel mit einem seltsam verzerrten Bild von Ihnen. Die Animation stammt übrigens aus einer Videoserie von Viascience (sehr empfehlenswert).

Die Suche nach Echos (ähnlich denen von Schallwellen) durch Reflexionen von Gravitationswellen an bestimmten Raumzeiten, die sich wie "Wände" verhalten könnten, wurde untersucht.

Siehe dieses Forschungspapier: Gravitationswellenquellen: Reflexionen und Echos

Die Beugung von Gravitationswellen kann in Sternhaufen auftreten, also könnten wir diese vielleicht als Ihr "Prisma" verwenden.

Siehe dieses Forschungspapier: Emission von Gravitationswellen aus binären Systemen im galaktischen Zentrum und Beugung durch Sternhaufen

Tatsächlich kann die Idee der Beugung von Gravitationswellen erweitert werden, um sie zu fokussieren. Einige astrophysikalische Objekte können wir uns analog zu optischen Elementen in einem optischen System vorstellen. Wenn wir Gravitationswellen fokussieren, können wir Gravitationsteleskope bauen (und nicht nur Observatorien). Tatsächlich können Schwarze Löcher nicht nur weit entfernte Lichtquellen vergrößern, sondern auch Gravitationswellen. Dieses Phänomen wird als Gravitationslinsenbildung von Gravitationswellen bezeichnet, und es gibt einige Artikel, die sich mit diesem Thema befassen.

Siehe dieses Forschungspapier: Gravitationslinseneffekt von Gravitationswellen: Wellennatur und Aussichten für die Erkennung

Siehe dieses Forschungspapier: Gravitationslinseneffekt von Gravitationswellen: Eine statistische Perspektive

Siehe dieses Forschungspapier: Effekt des Gravitationslinseneffekts auf die Verteilung von Gravitationswellen von entfernten Verschmelzungen schwarzer Löcher

Siehe dieses Forschungspapier: Wave Effects in Gravitational Lensing of Gravitational Wavesfrom Chirping Binaries

Wenn wir also eine Anordnung von gleich beabstandeten Schwarzen Löchern aufstellen können, können wir damit den Effekt eines Beugungsgitters erzielen?
Diese Antwort besagt, dass Materie für Gravitationswellen jeder Frequenz transparent ist. Ich würde gerne mehr darüber erfahren, also habe ich eine verwandte Frage unter physical.stackexchange.com/questions/627384/… geöffnet.

Gravitationswellen sind eine Störung in Raum und Zeit und bewegen sich, indem sie die Raumzeit durchdringen, sodass keine Brechung auftritt. Die Wellenlänge von Schwerewellen ist viel kürzer als die von Elektronen und Protonen.