Fragen Sie Ethan: Manifestieren Gravitationswellen eine Welle-Teilchen-Dualität?
Nachdem LIGO das Signal der Gravitationswellen zum ersten Mal entdeckt hatte, wurde ein Teil von Einsteins Theorie bestätigt, die vorhersagt, dass das Raumgefüge mit Wellen und Wellen bedeckt sein sollte. Und das wirft viele interessante Fragen auf, darunter die folgenden:Sollten Gravitationswellen eine Welle-Teilchen-Dualität aufweisen, und wenn ja, haben Physiker mit LIGO bereits Möglichkeiten gefunden, dies zu testen, beispielsweise eine Art Experiment mit zwei Schlitzen?
Die Welle-Teilchen-Dualität ist eine der seltsamsten Folgen der uns bekannten Quantenmechanik.
Alles beginnt ganz einfach: Materie besteht aus Teilchen, Atomen und ihren Bestandteilen und Strahlung - aus Wellen. Das Teilchen ist sichtbar, da es Eigenschaften wie Kollisionen oder Sprünge aufweist, mit anderen Teilchen zusammenklebt, Energie austauscht, bindet usw. Und die Welle kann durch Beugung und Interferenz mit sich selbst bestimmt werden. Newton glaubte fälschlicherweise, dass Licht aus Teilchen besteht, aber andere, zum Beispiel Huygens (sein Zeitgenosse) und die Gelehrten Young und Fresnel aus dem frühen 19. Jahrhundert, zeigten mit Sicherheit, dass Licht Eigenschaften aufweist, die nur erklärt werden können, wenn Sie es als solche betrachten die Welle. Das offensichtlichste davon ist der Durchgang von Licht durch einen Doppelspalt: Das Bild auf dem Hintergrundbildschirm zeigt, dass das Licht sowohl konstruktiv (helle Punkte erscheinen) als auch destruktiv (dunkle Punkte erscheinen) stört.
Interferenz ist eine Welleneigenschaft, daher "bewies" das Experiment, dass Licht eine Welle ist. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war jedoch alles etwas verwirrt, als der photoelektrische Effekt entdeckt wurde. Wenn Sie auf ein bestimmtes Material scheinen, werden durch das Licht regelmäßig Elektronen ausgeschaltet. Wenn Sie das Licht röter machen (die Energie senken) - und sogar seine Intensität erhöhen -, hören die Elektronen auf zu schlagen. Aber wenn Sie es blau machen (Energie erhöhen), wird das Licht die Elektronen selbst dann ausschalten, wenn Sie den Wirkungsgrad stark erhöhen. Bald darauf stellte sich heraus, dass Licht in Photonen quantisiert wird und dass sich einzelne Photonen wie Teilchen verhalten können und Elektronen mit der richtigen Energie stoßen.
Unterhalb einer bestimmten Grenze tritt keine Ionisierungsenergie auf.Während des 20. Jahrhunderts traten noch seltsamere Ergebnisse auf:• Separate Photonen, die nacheinander durch zwei Schlitze laufen, stören sich selbst und ergeben ein der Welle entsprechendes Bild.• Elektronen als Teilchen zeigen ebenfalls Interferenz und Beugung.• Wenn Sie messen, durch welchen spezifischen Spalt das Photon oder Elektron geht, funktioniert das Interferenzmuster nicht - und wenn Sie nicht messen, stellt sich heraus.Es scheint, dass jedes beobachtete Teilchen sowohl als Welle als auch als Teilchen beschrieben werden kann. Darüber hinaus sagt die Quantenphysik, dass es notwendig ist, es so und gleichzeitig zu beschreiben, sonst erhalten wir keine Ergebnisse, die mit Experimenten übereinstimmen.
Wir gehen zu Gravitationswellen über. Sie sind ziemlich einzigartig, weil wir bisher nur ihre Wellenmanifestationen beobachtet haben, aber nicht beobachtet haben, dass sie sich wie Partikel verhalten. So wie Wasserwellen aus Partikeln bestehen, müssen Gravitationswellen aus Partikeln bestehen. Diese Teilchen sollten Gravitonen sein, die die Schwerkraft übertragen, und sie sollten als Folge der Tatsache auftreten, dass die Schwerkraft von Natur aus eine Quantenwechselwirkung ist.
Da es sich nach den Beobachtungen um eine Welle handelt, die sich genau so verhält, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, können wir mit Sicherheit schließen, dass sie sich weiterhin wie alle von GR vorhergesagten Welleneinheiten verhält. Im Detail unterscheiden sie sich geringfügig von anderen uns bekannten Wellen: Dies sind keine Skalarwellen wie Wellen auf dem Wasser und keine Vektorwellen wie Licht, in denen elektrische und magnetische Felder in Phase schwingen. Dies sind Tensorwellen, die bewirken, dass sich der Raum zusammenzieht und in senkrechter Richtung ausdehnt, wenn sich die Welle ausbreitet.Diese Wellen verhalten sich in vielerlei Hinsicht genauso wie alle anderen, einschließlich der Ausbreitung in einem Medium mit einer bestimmten Geschwindigkeit (mit der Lichtgeschwindigkeit entlang des Raumgefüges), wobei andere Wellen im Raum sowohl strukturell als auch destruktiv gestört werden und sich bereits entlang der Oberfläche bewegen die vorhandene Krümmung der Raum-Zeit, und wenn diese Wellen Beugung erfahren könnten - vielleicht wenn sie eine so starke Schwerkraftquelle wie ein Schwarzes Loch umrunden - würden sie dies tun. Darüber hinaus ist bekannt, dass sich diese Wellen mit der Expansion des Universums genauso verhalten wie alle anderen: zusammen mit dem Hintergrundraum des Universums dehnen und dehnen.
Die Frage ist also, wie man ihren Quantenteil überprüft. Wie kann man nach der Korpuskularität der Gravitationswelle suchen? Theoretisch ähnelt eine Gravitationswelle der obigen Animation und zeigt, wie die Sichtbarkeit einer Welle aus einer Vielzahl von Partikeln entsteht, die sich in Kreisen bewegen. Diese Partikel sind Gravitonen, und die resultierende Welle wurde von LIGO aufgezeichnet. Es gibt allen Grund zu der Annahme, dass wir Gravitonen haben, die:• Spin 2 haben,• keine Masse haben,• sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen,• nur durch die Schwerkraft interagieren.Die von LIGO erhaltenen Beschränkungen für die Gravitonenmasse sind sehr gut: Wenn sie eine Masse hat, überschreitet sie 1,6 · 10 & supmin; ² & sup2; eV / c² nicht, dh sie liegt bei 10 28mal leichter als ein Elektron. Aber bis wir einen Weg gefunden haben, die Quantengravitation mit Gravitationswellen zu testen, wissen wir nicht, ob Gravitonen eine Welle-Teilchen-Dualität aufweisen.Hierfür gibt es einige Chancen, obwohl es unwahrscheinlich ist, dass LIGO erfolgreich ist. Sie sehen, die Auswirkungen der Quantengravitation sind am ausgeprägtesten, wenn sehr starke Gravitationsfelder in sehr kurzen Entfernungen interagieren. Gibt es eine bessere Möglichkeit, dies zu überprüfen, als die Verschmelzung von Schwarzen Löchern zu beobachten? Wenn zwei Singularitäten verschmelzen, erscheinen diese Quanteneffekte - deren Ausgangspunkt GRT sein muss - zum Zeitpunkt der Verschmelzung kurz vor und unmittelbar danach. Wir müssen Phänomene über Zeiträume verfolgen, die in Pikosekunden gemessen werden, nicht über die Mikro- oder Millisekunden, für die LIGO empfindlich ist - aber dies ist möglicherweise nicht möglich. Im Prinzip haben wir Laserpulse entwickelt, die im Femtosekunden- oder sogar Attosekundenbereich ( 10-15 s - 10-18) arbeitenc), so dass wir möglicherweise eine Empfindlichkeit organisieren können, die kleine Abweichungen von der Relativitätstheorie verfolgt, wenn wir gleichzeitig viele solcher Interferometer starten. Dies erfordert einen großen Technologiesprung, eine deutliche Reduzierung des Rauschens und eine Erhöhung der Empfindlichkeit. Aber technisch ist das nicht unmöglich - es ist nur sehr schwierig!Wenn Sie weitere Informationen benötigen, habe ich gerade ein Video mit einer Geschichte über Gravitationswellen, LIGO und das, was wir über sie gelernt haben, aufgenommen.Unser Thema befasst sich insbesondere mit der letzten Frage, wie wir die Korpuskularität von Gravitonen testen können, um das Bild der Welle-Teilchen-Dualität des Universums zu vervollständigen. Wir glauben, dass sich dies als wahr herausstellen wird, obwohl wir es sicherlich nicht wissen. Ich hoffe, dass unsere Neugier uns dazu bringt, in diese Studien zu investieren, die Natur mit uns spielt und wir es herausfinden werden!Source: https://habr.com/ru/post/de401969/
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