兩面鏡子一束光,做個簡易LIGO來探測引力波!

科學人Lixy2017-10-10 16:56:34

2017年諾貝爾獎物理學獎頒給LIGO科學合作組織的三位主要成員:雷納·韋斯(Rainer Weiss), 巴里·巴瑞希(Barry Barish), 吉普·索恩(Kip Thorne) ,以表彰他們直接探測到了引力波。



有人說,引力波這麼高端的名詞離我們太遠了......


真的是這樣嗎?


今天,就跟大家分享一項高端技能:自制微型引力波探測裝置——LIGO!


趕快動動手,一起來體會一下諾獎的樂趣吧!

實驗器材


激光筆,玻璃片,支架

白色屏幕(紙或泡沫塑料)
鉗子(或其他用來固定玻璃片的工具)

兩面鏡子(未體現)。



實驗過程


首先,將兩面鏡子垂直襬放

把玻璃片用鉗子固定,高度確保合適

儘量分別於兩面鏡子呈45度夾角

用支架撐起白色屏幕,放在某一面鏡子的對面

光源放置在另一面鏡子的對面

示意圖如下圖所示:



做出的模型如下圖:

(好像比想象中簡陋了許多)


首先,打開激光筆並保持不動

調整玻璃片位置保證在屏幕上形成兩個光斑


現在,我們研究兩個光斑的來源

將正前方的鏡子擋住,發現下方光斑消失


將右方的鏡子擋住,發現上方光斑消失


說明上方光斑來源於

激光被玻璃片反射後經右側鏡子反射後

經玻璃片透射而來

而下方光斑來源於

激光從玻璃片透射後經前側鏡子反射

後經玻璃片反射而來

嗯,相信大家已經很清楚為什麼有兩個相點了


下面要通過鉗子調整玻璃片的角度和位置

實現對光路的不斷微調


通過屏幕上光斑的位置,不斷調節

(這裡悄悄告訴大家一點:光路很容易受影響

科研實驗中調好光路同樣十分困難)


直到兩個光斑完全重合在一起


理想情況下,兩束激光會互相干涉

形成明暗相間的條紋

示意圖如下所示:


至於為什麼放一張示意圖呢?

因為這個實驗要求極高

只有光斑嚴格重合時才可以觀測到干涉現象

限於光源和實驗條件,也沒有看到條紋啊

當然,各位大小朋友自己動手的時候

只要把光路搭好、調整光斑重合就算過關了


原理解說


其實這個裝置,就是一臺

自制的邁克爾孫干涉儀

當年邁克爾孫和莫雷用這個原理

成功證明了以太並不存在

理想狀態下系統的光路圖如下圖所示


實驗中的玻璃片,起到分光鏡作用

當激光通過分光鏡時

一部分繼續前進至平面鏡A

另一部分被分光鏡反射後朝平面鏡B運動

兩束光被鏡A和鏡B完全反射

之後這兩束光會分別有一部分向屏幕運動

形成屏幕上的兩個光斑


然而兩束光走過路程不同

當它們在屏幕相遇時

由於光具有波動性

兩束光的路程差為波長的整數倍時

會互相加強而變亮


兩束光的路程差為波長的半整數倍時

會互相抵消而變暗

發生干涉,在屏幕上看到明暗相間的條紋


等等,這和引力波有什麼關係???


由於邁克爾孫干涉儀的條紋僅和光程差有關

因此,它可以測出幾百納米距離的變化

我們搭的小裝置,分光鏡與平面鏡距離很近

如果把這個距離拓展到3~4km

就會更加靈敏,測出更小距離變化


根據愛因斯坦的廣義相對論

遙遠的大質量星體旋轉時會釋放引力波

作為空間與世界的週期性壓縮在宇宙傳播

當引力波到達地球時

將會引起兩面反射鏡與分光鏡距離的變化

造成干涉條紋的移動


這就是LIGO(光干涉引力波觀測臺)巨型裝置


兩面鏡子一個分光鏡一束光

即是其最基本的原理

今年的諾獎,多半要歸功於它



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本文經授權轉載自“ 中科院物理所”

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TAGS:引力波光斑來源於激光光斑分光鏡