Interferometry jsou výzkumné nástroje používané v mnoha oblastech vědy a techniky. Nazývají se interferometry, protože fungují tak, že spojením dvou nebo více zdrojů světla vytvoří interferenční obrazec, který lze měřit a analyzovat; odtud „Interfere-o-meter“ neboli interferometr. Interferenční obrazce vytvořené interferometry obsahují informace o studovaném objektu nebo jevu. Často se používají k velmi malým měřením, kterých nelze dosáhnout jiným způsobem. Proto jsou tak výkonné pro detekci gravitačních vln – interferometry LIGO jsou navrženy tak, aby měřily vzdálenost 1/10 000 šířky protonu!“

Dnes hojně používané interferometry ve skutečnosti vynalezl koncem 19. století Albert Michelson. Michelsonův interferometr byl použit v roce 1887 v „Michelsonově-Morleyho experimentu“, jehož cílem bylo prokázat nebo vyvrátit existenci „světelného éteru“ – látky, o níž se v té době předpokládalo, že prostupuje vesmírem. Z tohoto prvního interferometru se vyvinuly všechny moderní interferometry, protože ukázal, jak lze vlastnosti světla využít k nejmenším měřením. Vynález laserů umožnil interferometrům provádět nejmenší myslitelná měření, jaká vyžaduje LIGO.

Pozoruhodné je, že základní struktura interferometrů LIGO se jen málo liší od interferometru, který Michelson navrhl před více než 125 lety, ale s některými přidanými funkcemi, popsanými v knize Interferometr LIGO.

Jak vypadá interferometr?“

Vzhledem k jejich širokému využití se interferometry vyrábějí v různých tvarech a velikostech. Používají se k měření všeho možného, od nejmenších odchylek na povrchu mikroskopického organismu až po strukturu obrovských prostorů plynu a prachu ve vzdáleném vesmíru a nyní i k detekci gravitačních vln. Navzdory různým konstrukcím a způsobům použití mají všechny interferometry jedno společné: překrývají paprsky světla a vytvářejí interferenční obrazec. Základní konfigurace Michelsonova laserového interferometru je znázorněna vpravo. Skládá se z laseru, rozdělovače paprsků, řady zrcadel a fotodetektoru (černá tečka), který zaznamenává interferenční obrazec.

Co je to interferenční obrazec?

Chceme-li lépe porozumět tomu, jak interferometry fungují, pomůže nám pochopit více pojmu „interference“. O interferenci ví každý, kdo někdy házel kameny do plochého, sklovitého rybníka nebo bazénu a sledoval, co se děje. Když kameny dopadají do vody, vytvářejí soustředné vlny, které se pohybují směrem od zdroje. A tam, kde se dvě nebo více těchto soustředných vln protínají, dochází k jejich vzájemné interferenci. Výsledkem této interference může být větší vlna, menší vlna nebo žádná vlna. Viditelný obrazec vznikající v místě, kde se vlny protínají, je jednoduše „interferenční“ obrazec.

Principy interference jsou jednoduché na pochopení. Dvě nebo více vln interferují. Sečtete výšky jednotlivých vln při jejich interakci a výsledná vlna je „interferenční“ obrazec. Obrázek vpravo ukazuje dva specifické druhy interference: úplnou konstruktivní interferenci a úplnou destruktivní interferenci. K totální konstruktivní interferenci dochází, když se vrcholy a dna dvou (nebo více) vln dokonale setkají. Když je sečteme, „zkonstruujeme“ větší vlnu, jejíž velikost se rovná součtu výšek (a hloubek!) obou vln v každém bodě, kde se fyzicky ovlivňují. K úplné destruktivní interferenci dochází tehdy, když se vrcholy jedné nebo více vln setkají a shodují se s koryty identické vlny. Jejich sečtením dojde k jejich vzájemnému vyrušení (tj. vzájemnému „zničení“).

V přírodě se vrcholy a koryta jedné vlny ne vždy dokonale setkají s vrcholy nebo koryty jiné vlny, jak ukazuje obrázek. Je příhodné, že bez ohledu na to, jak jsou v okamžiku splynutí synchronní, výška vlny vzniklé interferencí se vždy rovná součtu výšek splývajících vln podél každého bodu, kde se fyzicky ovlivňují. Když se tedy vlny setkají trochu nesynchronizované, může dojít k částečné konstruktivní nebo destruktivní interferenci. Tento jev ilustruje následující animace. Černá vlna ukazuje výsledek sčítání vrcholů a dna červené a modré vlny při jejich vzájemném pohybu (interferenci). Výsledkem sčítání výšek/hloubek jednotlivých vln v každém bodě při jejich vzájemném pohybu je černá vlna. Všimněte si, že u ní dochází k plnému rozsahu výšek od dvojnásobné výšky/hloubky (úplná konstruktivní interference) až po rovinu (úplná destruktivní interference). V tomto příkladu je černá vlna interferenční obrazec (obrazec, který je výsledkem pokračující interference fo červené a modré vlny). Všimněte si, jak se stále mění, dokud červená a modrá vlna pokračují ve vzájemné interakci.

Měnící se černá vlna je interferenční obrazec vytvořený červenou a modrou vlnou při jejich průchodu/interakci.

Paralela se světlem

Shodou okolností se světelné vlny chovají stejně jako vlny vodní. Když se dva paprsky laserového světla spojí, i ony vytvářejí interferenční obrazec, který závisí na tom, jak dobře jsou světelné vlny při spojení vyrovnané. Stejně jako u vody, když se vrcholy vln jednoho paprsku dokonale setkají s koryty druhého paprsku, dochází k úplné destruktivní interferenci. Ve vodě není výsledkem žádná vlna. Ve světle není výsledkem žádné světlo! A naopak, když se vrcholy jednoho paprsku dokonale setkají s vrcholy druhého, dochází k totální konstruktivní interferenci. Opět platí, že ve vodě je výška výsledné vlny rovna součtu výšek obou vln; ve světle je výsledkem světlo rovné součtu intenzit obou samostatných světelných paprsků. Když tuto analogii dotáhneme do konce, ve vodě mohou vlny při vzájemném průchodu zažívat celou škálu interferencí od částečné až po úplnou konstruktivní a destruktivní (větší vlna, menší vlna, žádná vlna). Ve světle je výsledkem plný rozsah jasu, od tmy až po součet intenzit interagujících paprsků.

Paralela mezi konstruktivní a destruktivní interferencí ve vodě a se světlem. (Převzato z www.explainthatstuff.com)

Pokud se vrátíme k interferometrům LIGO, to, co určuje, jak dobře jsou paprsky seřazeny, když se spojí, je vzdálenost, kterou urazí před spojením. Pokud paprsky urazí přesně stejnou vzdálenost, budou jejich světelné vlny dokonale sladěny, takže dojde k úplné destruktivní interferenci (LIGO je záměrně navržen tak, aby k tomu došlo, pokud neprochází žádné gravitační vlny). Pokud však lasery z nějakého důvodu necestují na stejnou vzdálenost, jejich světelné vlny již nejsou při splynutí synchronizovány, což znamená, že k fotodetektoru nedorazí žádné světlo, slabé světlo nebo světlo stejně jasné jako původní laserový paprsek. A pokud se délka ramen v čase mění, objeví se blikání, protože paprsky zažívají různé interference v závislosti na tom, jak se v daném okamžiku setkávají.

Jak gravitační vlny ovlivňují interferometr LIGO?

Gravitační vlny způsobují, že se samotný prostor roztahuje v jednom směru a současně stlačuje v kolmém směru. V případě LIGO to způsobuje, že se jedno rameno interferometru prodlužuje, zatímco druhé se zkracuje, a pak naopak, tam a zpět, dokud vlna prochází. Technický termín pro tento pohyb je „diferenciální pohyb ramen“ neboli diferenciální posun, protože ramena současně mění délku opačným způsobem neboli diferenciálně.

Jak bylo popsáno výše, se změnou délky ramen se mění i vzdálenost, kterou urazí každý laserový paprsek. Paprsek v kratším rameni se vrátí do rozdělovače paprsků dříve než paprsek v delším rameni, pak se situace mění, protože ramena oscilují mezi tím, že jsou delší a kratší. Světelné vlny přicházejí v různých časech a při rekombinaci v rozdělovači paprsků se již pěkně nesetkají. Místo toho se při slučování posouvají a rozcházejí neboli „fázují“, zatímco vlna způsobuje oscilaci délky ramen. Zjednodušeně řečeno, výsledkem je blikání světla vycházejícího z interferometru. Tento proces je znázorněn v ukázce vpravo z Einsteinových Poslů .

Ačkoli v principu se myšlenka zdá být téměř jednoduchá, v praxi detekce tohoto blikání není. Změna délky ramene způsobená gravitační vlnou může být tak malá jako 1/10 000 šířky protonu (to je 10-19 m)! Navíc najít blikání gravitační vlny mezi všemi ostatními blikáními, která LIGO zaznamenává (způsobenými čímkoli, co může zrcadly otřást, například zemětřesením nebo provozem na blízkých silnicích), je jiný příběh. Technologie LIGO podrobně popisuje, jak LIGO odfiltruje velkou část tohoto „šumu“, aby mohlo detekovat zřetelné „blikání“ světla způsobené gravitační vlnou.