Az interferométerek a tudomány és a technika számos területén használt vizsgálati eszközök. Azért hívják őket interferométereknek, mert úgy működnek, hogy két vagy több fényforrás összeolvadásával interferenciamintázatot hoznak létre, amely mérhető és elemezhető; innen ered az “Interfere-o-meter” vagy interferométer. Az interferométerek által létrehozott interferenciaminták információt tartalmaznak a vizsgált tárgyról vagy jelenségről. Gyakran használják őket nagyon kis mérések elvégzésére, amelyek más módon nem érhetők el. Ezért olyan hatékonyak a gravitációs hullámok detektálásában – a LIGO interferométereit úgy tervezték, hogy egy proton szélességének 1/10 000-ed részének megfelelő távolságot mérjenek!
A ma széles körben használt interferométereket valójában a 19. század végén találta fel Albert Michelson. A Michelson-interferométert 1887-ben használták a “Michelson-Morley kísérletben”, amelynek célja az volt, hogy bebizonyítsa vagy megcáfolja a “világító éter” létezését – egy olyan anyagét, amelyről akkoriban úgy gondolták, hogy áthatja az Univerzumot. Az összes modern interferométer ebből az első interferométerből fejlődött ki, mivel ez mutatta be, hogy a fény tulajdonságait hogyan lehet felhasználni a legapróbb mérések elvégzésére. A lézerek feltalálása tette lehetővé, hogy az interferométerek az elképzelhető legkisebb méréseket is elvégezhessék, mint amilyeneket a LIGO igényel.
Figyelemre méltó, hogy a LIGO interferométereinek alapszerkezete alig különbözik attól az interferométertől, amelyet Michelson több mint 125 évvel ezelőtt tervezett, de néhány hozzáadott funkcióval, amelyeket a LIGO interferométere című könyvben ismertetünk.
Milyen egy interferométer?
Egy alapvető Michelson-lézerinterferométer alaprajza. (Kattintson a nagyobb képért)
A széleskörű alkalmazásuk miatt az interferométerek különböző formájúak és méretűek. A mikroszkopikus élőlények felszínének legapróbb változásaitól kezdve a távoli világegyetem hatalmas gáz- és porfelületeinek szerkezetéig mindent mérnek velük, és most már a gravitációs hullámok kimutatására is használják őket. A különböző kialakítások és felhasználási módok ellenére az interferométerekben egy dolog közös: a fénysugarak egymásra helyezésével interferenciamintázatot hoznak létre. A Michelson-lézerinterferométer alapkonfigurációja a jobb oldalon látható. Egy lézerből, egy sugárelosztóból, egy sor tükörből és egy fotodetektorból (a fekete pont) áll, amely rögzíti az interferenciamintát.
Mi az interferenciaminta?
Az interferométerek működésének jobb megértéséhez segít többet megtudni az “interferenciáról”. Bárki, aki dobott már köveket egy lapos, üveges tóba vagy medencébe, és figyelte, mi történik, ismeri az interferenciát. Amikor a kövek a vízbe csapódnak, koncentrikus hullámokat keltenek, amelyek a forrástól távolodnak. És ahol két vagy több ilyen koncentrikus hullám metszi egymást, ott interferálnak egymással. Ez az interferencia eredményezhet egy nagyobb hullámot, egy kisebb hullámot vagy egyáltalán semmilyen hullámot. A hullámok metszéspontjában előforduló látható mintázat egyszerűen “interferencia” mintázat.
Interferencia mintázat a vízben. Az “interferencia” azokon a területeken következik be, ahol a különböző forrásokból származó táguló körhullámok metszik egymást.
Amikor két hullám csúcsai találkoznak, csúcsaik összeadódnak. Amikor egy hullám csúcsai találkoznak egy másik azonos hullám völgyeivel, akkor azok kioltják egymást.
Az interferencia alapelvei egyszerűen megérthetők. Két vagy több hullám kölcsönhatásba lép egymással. A kölcsönhatás során a különálló hullámok magasságait összeadjuk, és az így kapott hullám az “interferencia” mintázat. A jobb oldali ábra az interferencia két speciális fajtáját mutatja: a teljes konstruktív interferenciát és a teljes destruktív interferenciát. Teljes konstruktív interferencia akkor következik be, amikor két (vagy több) hullám csúcsai és mélypontjai tökéletesen találkoznak. Összeadva egy nagyobb hullámot “konstruál”, amelynek mérete megegyezik a két hullám magasságainak (és mélységeinek!) összegével minden olyan ponton, ahol fizikailag kölcsönhatásba lépnek. Teljes destruktív interferencia akkor következik be, amikor egy vagy több hullám csúcsai találkoznak és megegyeznek egy azonos hullám mélypontjaival. Ezek összeadása azt eredményezi, hogy kioltják egymást (azaz “megsemmisítik” egymást).
A természetben az egyik hullám csúcsai és mélypontjai nem mindig találkoznak tökéletesen egy másik hullám csúcsaival vagy mélypontjaival, ahogy azt az ábra mutatja. Kényelmes módon, függetlenül attól, hogy mennyire vannak szinkronban, amikor összeolvadnak, az interferenciából eredő hullám magassága mindig egyenlő az összeolvadó hullámok magasságainak összegével minden olyan pont mentén, ahol fizikailag kölcsönhatásba lépnek. Ha tehát a hullámok egy kicsit szinkronban nem találkoznak, részleges konstruktív vagy destruktív interferencia léphet fel. Az alábbi animáció ezt a hatást szemlélteti. A fekete hullám a piros és a kék hullámok csúcsainak és mélypontjainak összeadásából származó eredményt mutatja, amint azok áthaladnak (interferálnak) egymáson. Az egyes hullámok magasságainak/mélységeinek összeadása az egyes pontokon, ahogy azok egymáson áthaladnak, a fekete hullámot eredményezi. Figyeljük meg, hogy a magasságok teljes tartományát tapasztaljuk a kétszer magasabb/mélyebbtől (teljes konstruktív interferencia) a laposig (teljes destruktív interferencia). Ebben a példában a fekete hullám az interferenciaminta (a vörös és a kék hullám folyamatos interferenciájából eredő minta). Figyeljük meg, hogyan változik mindaddig, amíg a vörös és kék hullámok kölcsönhatásban vannak egymással.
A változó fekete hullám a vörös és kék hullámok által létrehozott interferenciaminta, ahogy áthaladnak/kölcsönhatásba lépnek egymással.
Párhuzamok a fénnyel
A fényhullámok történetesen ugyanúgy viselkednek, mint a vízhullámok. Amikor két lézerfénysugár egyesül, azok is interferenciamintázatot hoznak létre, ami attól függ, hogy a fényhullámok mennyire vannak jól összehangolva, amikor egyesülnek. A vízhez hasonlóan, amikor az egyik sugár hullámcsúcsai tökéletesen találkoznak a másik hullámvölgyeivel, teljes destruktív interferencia jön létre. A vízben az eredmény: nincs hullám. A fényben az eredmény: nincs fény! Ezzel szemben, amikor az egyik sugár csúcsai tökéletesen találkoznak a másik sugár csúcsaival, teljes konstruktív interferencia következik be. A vízben a keletkező hullám magassága megegyezik a két hullám magasságának összegével; a fényben az eredmény a két különálló fénysugár intenzitásának összegével megegyező fény. Ezt az analógiát a végsőkig folytatva, a vízben, ahogy a hullámok áthaladnak egymáson, a részlegestől a teljes konstruktív és destruktív interferenciáig (nagyobb hullám, kisebb hullám, nincs hullám) az interferencia teljes skáláját tapasztalhatjuk. A fényben az eredmény a fényesség teljes tartománya, a sötétségtől a kölcsönhatásba lépő sugarak intenzitásainak összegéig.”
Párhuzamok a konstruktív és destruktív interferencia között a vízben és a fényben. (Adapted from www.explainthatstuff.com)
Visszatérve a LIGO interferométereire, ami azt diktálja, hogy a sugarak mennyire jól igazodnak egymáshoz, amikor összeolvadnak, az az a távolság, amit az összeolvadás előtt megtesznek. Ha a sugarak pontosan azonos távolságot tesznek meg, a fényhullámaik tökéletesen összehangolódnak, így teljes destruktív interferenciát eredményeznek (a LIGO-t szándékosan úgy tervezték, hogy ez akkor következzen be, ha nem haladnak át gravitációs hullámok). Ha azonban a lézerek valamilyen oknál fogva nem azonos távolságot tesznek meg, fényhullámaik már nem lesznek szinkronban, amikor egyesülnek, ami azt jelenti, hogy a fotodetektorba nem jut fény, kevés fény, vagy olyan fény, mint az eredeti lézersugár. Ha pedig a karok hossza idővel változik, villódzás jelenik meg, mivel a sugarak különböző interferenciát tapasztalnak attól függően, hogy az adott pillanatban hogyan találkoznak.
Hogyan hatnak a gravitációs hullámok a LIGO interferométerére?
A gravitációs hullámok hatására maga a tér egy irányban megnyúlik, és egyidejűleg egy rá merőleges irányban összenyomódik. A LIGO-ban ez azt okozza, hogy az interferométer egyik karja hosszabb lesz, míg a másik rövidebb, majd fordítva, oda-vissza, amíg a hullám áthalad. Ennek a mozgásnak a szakkifejezése a “differenciális kar” mozgás, vagy differenciális elmozdulás, mivel a karok egyszerre ellentétes irányban, vagyis differenciálisan változtatják a hosszukat.
A fent leírtak szerint, ahogy a karok hossza változik, úgy változik az egyes lézersugarak által megtett távolság is. A rövidebb karban lévő sugár előbb tér vissza a sugárelosztóhoz, mint a hosszabb karban lévő sugár, majd a helyzet változik, ahogy a karok a hosszabb és rövidebb karok között oszcillálnak. A különböző időpontokban érkező fényhullámok már nem találkoznak szépen, amikor a sugárelosztónál újra egyesülnek. Ehelyett a hullámok összeolvadásakor, miközben a hullám a karok hosszának ingadozását okozza, az összehangolásuk vagy “fázisuk” változik. Egyszerűbben fogalmazva, ez az interferométerből kilépő fény villódzását eredményezi. Ezt a folyamatot szemlélteti a jobb oldali klip Einstein Messengers című könyvéből .
Míg elvileg az ötlet szinte egyszerűnek tűnik, a gyakorlatban ennek a villódzásnak az észlelése nem az. A gravitációs hullám által okozott karhosszváltozás akár egy proton szélességének 1/10 000-ed része is lehet (ez 10-19 m)! Ráadásul a gravitációs hullám villódzásának megtalálása a LIGO által tapasztalt összes többi villódzás között (amelyeket bármi okozhat, ami megrázhatja a tükröket, például földrengések vagy a közeli utak forgalma) egy másik történet. A LIGO Technology részletesen leírja, hogy a LIGO hogyan szűri ki ennek a “zajnak” a nagy részét annak érdekében, hogy a gravitációs hullám által okozott árulkodó “villódzást” észlelje.