Огромные руки LIGO сжимаются и расширяются, когда через них проходят гравитационные волны. Но, как ни странно, свет внутри них тоже.
За последние три года человечество познало новый вид астрономии из традиционных. Мы больше не просто регистрируем свет с помощью телескопа или нейтрино с помощью огромных детекторов частиц, чтобы увидеть Вселенную. В дополнение к этому мы также впервые видим рябь, присущую самому пространству: гравитационные волны. Детекторы LIGO, теперь дополненные Virgo, а вскоре к ним присоединятся KAGRA и LIGO India, имеют сверхдлинные руки, которые удлиняются и сжимаются, когда через них проходят гравитационные волны, создавая детектируемый сигнал. Но как это работает? Амриш Пандья хочет знать, спрашивая:
Если длина волны света растягивается и сжимается вместе с пространством-временем, то как LIGO может обнаруживать гравитационные волны. [Эти волны] растягивают и сжимают два плеча детектора LIGO, и поэтому световые волны в этих двух плечах [должны] тоже растягиваться и сжиматься. Разве число длин волн света в каждом плече не останется прежним, а значит, не вызовет изменений в интерференционной картине, что сделает [гравитационные волны] необнаружимыми?
Это один из самых распространенных парадоксов, о котором думают люди, рассматривая гравитационные волны. Давайте погрузимся, чтобы найти разрешение!
Детектор гравитационных волн, такой как LIGO, работает следующим образом:
- создаются два длинных плеча абсолютно одинаковой длины и в точности кратны определенной длине волны света,
- эти руки освобождены от всей материи, так что внутри идеальный вакуум,
- когерентный свет (одной длины волны) разделяется светоделителем на две перпендикулярные составляющие,
- один направляется вниз по одной руке, а другой - по другой,
- свет отражается много (тысячи) раз между двумя концами каждого плеча,
- а затем свет рекомбинируется, создавая интерференционную картину.
Если интерференционная картина остается абсолютно постоянной в отсутствие сигнала гравитационной волны, значит, вы правильно настроили детектор. Вы знаете, что учли шум; вы знаете, что правильно настроили свой эксперимент. Это была борьба, над которой LIGO работала в течение примерно 40 лет: попытка правильно откалибровать свой детектор и снизить уровень чувствительности до уровня, при котором он сможет обнаруживать истинный сигнал гравитационной волны.
Величина этих сигналов невероятно мала, и поэтому было так сложно достичь необходимой точности и аккуратности.
Как только вы окажетесь там, вы будете готовы к поиску реального сигнала. Гравитационные волны уникальны среди всех различных типов излучения, производимого во Вселенной. Вместо обнаруживаемых сигнатур, которые могут взаимодействовать с частицами, гравитационные волны представляют собой рябь в ткани пространства.
Вместо монопольного (как несущего заряд) излучения или дипольного (с осциллирующими полями, как электромагнитное) излучения гравитационные волны являются формой квадрупольного излучения.
И вместо совпадающих по фазе электрических и магнитных полей, направленных перпендикулярно направлению распространения волн, гравитационные волны попеременно растягивают и сжимают пространство, через которое они проходят, во взаимно перпендикулярных направлениях.
Вот почему мы сконструировали наши детекторы именно так, как мы их сконструировали. Когда гравитационная волна проходит через такой детектор, как LIGO, одно из плеч сжимается, а другое расширяется, а затем наоборот, по взаимно колебательному образцу. Детекторы LIGO намеренно размещены под углом друг к другу и в разных местах на поверхности Земли, так что независимо от того, через какую ориентацию проходит волна, максимум один детектор будет невосприимчив к сигналу гравитационной волны.
Другими словами, независимо от того, как ориентирована гравитационная волна, всегда найдется детектор, у которого одно плечо укорачивается, а другое удлиняется предсказуемым колебательным образом до тех пор, пока волна проходит через детектор.
Так что же это значит для света? Свет всегда движется с одной и той же постоянной скоростью: с, или 299 792 458 м/с. Это скорость света в вакууме, а в обоих рукавах LIGO есть вакуумные камеры. Дело в том, что когда гравитационная волна проходит через каждое плечо, удлиняя или укорачивая плечо, она также удлиняет или укорачивает длину волны света внутри него на соответствующую величину.
На первый взгляд это кажется проблемой: если свет удлиняется или укорачивается по мере того, как удлиняются или укорачиваются плечи, то общая интерференционная картина должна оставаться неизменной при прохождении волны. По крайней мере, вы так интуитивно догадались.
Но это не так. Длина волны света, которая сильно зависит от того, как меняется ваше пространство при прохождении гравитационной волны, не важна для интерференционной картины. Что важно, так это количество времени, которое свет тратит на путешествие по рукавам!
Когда гравитационная волна проходит через одно из плеч, она изменяет эффективную длину плеч, что, следовательно, изменяет величину расстояния, которое должен пройти каждый лазерный луч. Одно плечо удлиняется, что приводит к увеличению времени прохождения света, а другое укорачивается, что приводит к сокращению времени прохождения света. По мере изменения относительного времени прихода мы видим колебательный паттерн в смещении реконструированной интерференционной картины.
Когда лучи воссоединяются, возникает разница во времени, в течение которого они двигались, и, следовательно, обнаруживается сдвиг в результирующей интерференционной картине. Коллаборация LIGO опубликовала интересную аналогию для этого:
[…] представьте теперь, что вы и ваш друг хотите сравнить, сколько времени вам потребуется, чтобы проехать до конца плеч интерферометра и обратно. Вы соглашаетесь, что оба будете двигаться со скоростью ровно 1 миля в час. Точно так же, как лазерные световые волны LIGO, вы покидаете угловую станцию в одно и то же время и едете с одинаковой скоростью. Вы должны снова встретиться точно в то же время, пожать друг другу руки и двигаться дальше. Но допустим, вы отправляетесь в путь, и на полпути проходит гравитационная волна. Теперь одному из вас предстоит пройти большее расстояние, а другому - меньшее. Это означает, что один из вас вернется раньше другого. Когда вы протягиваете руку, чтобы пожать руку своему другу, его там нет! Ваше рукопожатие было нарушено! Поскольку вы знаете, с какой скоростью каждый из вас ехал, вы можете измерить, сколько времени потребовалось вашему другу, чтобы добраться до места назначения, а затем определить, сколько еще ему пришлось ехать, чтобы опоздать на указанную сумму.
Когда вы делаете это со светом, в отличие от друга, вы используете не задержку времени прибытия (поскольку разница составляет примерно 10-19 метров), а сдвиг в наблюдаемой интерференционной картине.
Это правда: свет смещается в красное и синее цвета, когда гравитационная волна проходит через пространство, которое она занимает. Когда пространство сжимается, длина волны света сжимается, делая его голубее; по мере его разрежения длина волны растягивается, делая его более красным. Но эти сдвиги преходящи и относительно несущественны, по крайней мере, по сравнению с разницей в длине пути, который должен пройти свет.
Это ключевой, важный момент во всем этом: красный свет с длинными волнами и синий свет с короткими волнами занимают одинаковое количество времени, чтобы пройти одно и то же расстояние, даже если это займет больше времени. гребни и впадины синего света, чтобы сделать это. Скорость света в вакууме не зависит от длины волны света. Единственный фактор, который имеет значение для интерференционной картины, - это расстояние, которое должен пройти свет.
Это изменение длины пути, когда гравитационная волна проходит через детектор, определяет смещение интерференционных картин, которые мы видим. По мере прохождения волны одно направление рукавов будет удлиняться, а другое одновременно укорачивается, что требует относительного сдвига длин пути и времени прохождения света двух рукавов.
Поскольку свет проходит через них обоих со скоростью света, изменения длины волны не имеют значения; когда они снова встретятся, они окажутся в одном и том же месте в пространстве-времени, и поэтому их длины волн теперь будут идентичными. Важно то, что один луч света дольше находится в детекторе, и поэтому, когда они снова встречаются, они теперь не совпадают по фазе. Вот откуда поступает сигнал LIGO и как мы обнаруживаем гравитационные волны!
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startswithabang at gmail dot com!