Что такое интерферометр?

Интерферометры - это инструмент исследования, используемый во многих областях науки и техники. Их называют интерферометрами, потому что они работают путем объединения двух или более источников света для создания интерференционной картины, которую можно измерять и анализировать; отсюда «интерферометр». Интерференционные картины, создаваемые интерферометрами, содержат информацию об изучаемом объекте или явлении. Они часто используются, чтобы сделать очень маленькие измерения, которые не достижимы никаким другим способом. Вот почему они так мощны для обнаружения гравитационных волн - интерферометры LIGO предназначены для измерения расстояния в 1/10 000 ширины протона!

Широко используемые сегодня интерферометры были фактически изобретены в конце 19 века Альбертом Майкельсоном. Интерферометр Майкельсона был использован в 1887 году в Эксперимент Майкельсона-Морли ", которая ставит своей целью доказать или опровергнуть существование" светоносного эфира "- вещества, которое, как считается, пронизывает Вселенную. Все современные интерферометры эволюционировали от этого первого, поскольку он продемонстрировал, как свойства света могут использоваться для Сделайте измерения крошечными. Изобретение лазеров позволило интерферометрам производить наименьшие мыслимые измерения, подобные тем, которые требуются LIGO.

Примечательно, что базовая структура интерферометров LIGO мало отличается от интерферометра, разработанного Майкельсоном более 125 лет назад, но с некоторыми дополнительными функциями, описанными в Интерферометр ЛИГО ,

Как выглядит интерферометр?

Схема базового лазерного интерферометра Майкельсона. (Нажмите для увеличения изображения)

Из-за их широкого применения, интерферометры бывают разных форм и размеров. Они используются для измерения всего, от самых маленьких изменений на поверхности микроскопического организма, до структуры огромных пространств газа и пыли в далекой Вселенной, а теперь и для обнаружения гравитационных волн. Несмотря на свою разную конструкцию и различные способы их использования, все интерферометры имеют одну общую черту: они накладывают световые лучи для создания интерференционной картины. Базовая конфигурация лазерного интерферометра Майкельсона показана справа. Он состоит из лазера, светоделителя, серии зеркал и фотоприемника (черная точка), который регистрирует интерференционную картину.

Как это работает?

В интерферометре Майкельсона лазерный луч проходит через «светоделитель», который разделяет исходный одиночный луч на два отдельных луча. Расщепитель луча пропускает половину света, отражая вторую половину на 90 градусов от первой. Затем каждый луч проходит вниз по плечу интерферометра. В конце каждой руки есть зеркало. Это зеркало отражает каждый луч обратно вдоль его первоначального пути к расщепителю луча, где, теперь приходя с противоположного направления, оба луча объединяются в один луч. Когда они встречаются, их волны сталкиваются друг с другом, прежде чем отправиться на фотоприемник, который измеряет яркость рекомбинированного луча, когда он возвращается. Интерферометры LIGO настроены таким образом, чтобы, пока плечи не меняют длину во время движения лучей, когда оба луча объединяются, их световые волны взаимно компенсируют друг друга (разрушительно мешают), и свет не попадает на фотоприемник.

Но что произойдет, если расстояние, пройденное лазерами , изменится, когда они пробираются через интерферометр? Если одна рука становится длиннее другой, один лазерный луч должен перемещаться дальше, чем другой, и требуется больше времени, чтобы вернуться к светоделителю. Хотя лучи поступают в инфереометр одновременно, они не возвращаются в светоделитель в одно и то же время, поэтому их световые волны будут смещены при рекомбинации. Это меняет природу помех, которые они испытывают. Вместо того, чтобы полностью разрушительно мешать, в результате чего свет от интерферометра не выходит, небольшое количество света будет «просачиваться» и быть видимым фотоприемником. Если плечи меняют длину в течение определенного периода времени (скажем, при прохождении гравитационной волны), картина света, выходящего из интерферометра, также будет изменяться в соответствии с движением плеч. В основном, вспыхивает свет. В интерферометре любое изменение интенсивности света указывает на то, что что-то изменило расстояние, пройденное одним или обоими лазерными лучами. Важно, что форму интерференционной картины, возникающей на интерферометре в течение определенного периода времени, можно использовать для точного расчета того, насколько сильно изменилась длина за этот период. LIGO ищет очень специфические характеристики (как интерференционная картина изменяется со временем), чтобы определить, поймал ли он прохождение гравитационной волны.

Что такое интерференционная картина?

Чтобы лучше понять, как работают интерферометры, это помогает понять больше о «помехах». Если вы когда-нибудь бросали камни в плоский стеклянный пруд или бассейн и смотрели, что произошло, вы уже знаете о помехах. Когда камни ударяются о воду, они генерируют концентрические волны, которые удаляются от точки входа камня. И там, где две или более из этих концентрических волн пересекаются, они мешают друг другу, точки пересечения больше или меньше или полностью взаимно перекрывают друг друга. Видимая картина, возникающая в местах пересечения волн, представляет собой «интерференционную» картину.

Интерференционные картины в воде. «Интерференция» возникает в областях, где пересекающиеся расширяющиеся круговые волны от разных источников пересекаются. (Предоставлено: Wikimedia Commons)

Когда встречаются пики двух волн, их пики складываются. Когда пики одной волны встречаются с долинами другой, они исчезают. Кредит: www.explainthatstuff.com

Принципы вмешательства просты для понимания. На рисунке справа показаны два конкретных вида помех: полное конструктивное вмешательство и полное разрушительное вмешательство. При полном конструктивном вмешательстве, когда пик одной волны сливается с пиком другой волны, они складывают вместе и «создают» большую волну. При полном разрушительном воздействии пик одной волны встречается с долиной идентичной волны, и они полностью подавляют друг друга (они «уничтожают» друг друга).

В природе пики и впадины одной волны не всегда идеально соответствуют пикам или впадинам другой волны, как показано на рисунке. Независимо от того, как они сливаются, высота волны, возникающая из-за интерференции, всегда равна сумме высот сливающихся волн. Когда волны не встречаются идеально, возникают частичные конструктивные или разрушительные помехи. Анимация ниже иллюстрирует этот эффект. Если вы внимательно посмотрите, вы увидите, что черная волна проходит через весь диапазон высот от вдвое большего и глубокого (где происходит полное конструктивное вмешательство) до плоского (где происходит полное разрушительное вмешательство), когда красные и синие волны проходят сквозь 'друг друга (мешать). В этом примере черная волна - это интерференционная картина! Обратите внимание, как он продолжает меняться, пока красные и синие волны продолжают взаимодействовать.

Изменяющаяся черная волна - это интерференционная картина, создаваемая красной и синей волнами, когда они проходят через / взаимодействуют друг с другом. [Предоставлено: Wikimedia Commons]

Параллели со светом

Так получилось, что световые волны ведут себя так же, как волны воды. Когда два луча лазерного света сливаются, они тоже создают интерференционную картину, которая зависит от того, насколько хорошо выровнены световые волны при их объединении. Так же, как вода, когда пики волн одного луча идеально встречаются с долинами другого, происходит полное разрушительное вмешательство. В воде волна исчезает; в свете свет тоже исчезает, и свет (то есть тьма) не возникает. И наоборот, когда пики одного луча полностью соответствуют пикам другого, возникает полная конструктивная интерференция. Опять же, что касается воды, в волнах на воде высота результирующей волны равна высоте двух волн, сложенных вместе; в луче света, результат - более яркий свет. Как и в случае с водой, в зависимости от того, как волны выравниваются во времени, может возникать полный спектр помех (который в свете означает полный диапазон яркости) от частичного до полного конструктивного и разрушительного.

В интерферометрах LIGO то, насколько хорошо выровнены лучи при их слиянии, - это расстояние, которое они проходят перед слиянием. Если лучи проходят точно такое же расстояние, их световые волны будут идеально выровнены, так что они приведут к полному разрушительному вмешательству (LIGO специально разработан для того, чтобы это произошло, если гравитационные волны не проходят). Но если по какой-то причине лазеры не проходят одинаковые расстояния, их световые волны больше не выравниваются при слиянии. В зависимости от того, как волны от двух лучей встречаются, когда они возвращаются к светоделителю, свет, слабый свет или свет, столь же яркий, как исходный лазерный луч, не могут достичь фотоприемника.

Итак, что заставило бы лазеры путешествовать на разные расстояния?

Одна из причин - гравитационные волны!

Гравитационные волны заставляют само пространство растягиваться в одном направлении и одновременно сжиматься в перпендикулярном направлении. Влияние на LIGO заключается в том, что одна рука интерферометра становится длиннее, а другая - короче, а затем наоборот, и так далее, колеблюсь взад и вперед в течение всего времени, пока движется волна (как буй, качающийся в воде после прохождения лодки) ). Технический термин для этого движения - движение «Дифференциальный рычаг», или дифференциальное перемещение, так как плечи меняют длину по-разному (т. Е. В противоположных направлениях).

Ваш браузер не поддерживает этот тег видео.

По мере изменения длины плеч (длиннее / короче, короче / длиннее и т. Д.) Также меняются расстояния, пройденные каждым лазерным лучом. Луч, движущийся по более короткому плечу, вернется к светоделителю до того, как луч в более длинном плече (тогда ситуация меняется, когда руки колеблются между более длинным и коротким плечом.) При прибытии в разное время волны света в лазерных лучах дольше встречаться приятно, когда они снова смешиваются вместе на светоделителя. Вместо этого они сдвигаются и выровняются или выровняются по фазе, поскольку они сливаются во время прохождения волны. Проще говоря, это приводит к вспышке света, достигающего фотоприемника. Этот процесс хорошо иллюстрируется в клипе справа от Посланники Эйнштейна

(Фото: Национальный научный фонд США) .

Хотя в принципе идея кажется довольно простой, на практике обнаружение этого мерцания не является. Изменение длины плеча, вызванное гравитационной волной, может составлять 1/10 000 ширины протона (это 10-19 м)! Кроме того, обнаружение мерцания гравитационной волны среди всех других мерцаний, которые испытывает LIGO (вызванных чем-либо, что может поколебать зеркала, например, землетрясениями или движением на близлежащих дорогах), является другой историей. LIGO Technology подробно описывает, как LIGO отфильтровывает большую часть этого «шума» для обнаружения контрольного «мерцания» света, вызванного гравитационной волной.

Похожие

Комментарии