Interferometrele sunt instrumente de investigare utilizate în multe domenii ale științei și ingineriei. Ele se numesc interferometre deoarece funcționează prin îmbinarea a două sau mai multe surse de lumină pentru a crea un model de interferență, care poate fi măsurat și analizat; de aici „Interfere-o-meter”, sau interferometru. Modelele de interferență generate de interferometre conțin informații despre obiectul sau fenomenul studiat. Acestea sunt adesea utilizate pentru a face măsurători foarte mici care nu pot fi realizate în alt mod. Acesta este motivul pentru care sunt atât de puternice pentru detectarea undelor gravitaționale – interferometrele luiLIGO sunt concepute pentru a măsura o distanță de 1/10.000 de ori mai mică decât lățimea unui proton!

Utilizate pe scară largă în prezent, interferometrele au fost de fapt inventate la sfârșitul secolului al XIX-lea de Albert Michelson. Interferometrul Michelson a fost folosit în 1887 în cadrul „Experimentului Michelson-Morley”, care își propunea să dovedească sau să infirme existența „eterului luminos” – o substanță despre care se credea la acea vreme că pătrunde în Univers. Toate interferometrele moderne au evoluat de la acest prim interferometru, deoarece a demonstrat cum pot fi folosite proprietățile luminii pentru a face cele mai mici măsurători. Invenția laserelor a permis interferometrelor să facă cele mai mici măsurători imaginabile, cum ar fi cele cerute de LIGO.

În mod remarcabil, structura de bază a interferometrelor LIGO diferă foarte puțin de interferometrul proiectat de Michelson cu peste 125 de ani în urmă, dar cu unele caracteristici suplimentare, descrise în Interferometrul LIGO.

Cum arată un interferometru?

Din cauza aplicației lor largi, interferometrele vin într-o varietate de forme și dimensiuni. Ele sunt utilizate pentru a măsura totul, de la cele mai mici variații de pe suprafața unui organism microscopic, la structura unor întinderi enorme de gaz și praf din Universul îndepărtat și, în prezent, pentru a detecta undele gravitaționale. În ciuda modelelor lor diferite și a diverselor moduri în care sunt utilizate, toate interferometrele au un lucru în comun: suprapun fascicule de lumină pentru a genera un model de interferență. Configurația de bază a unui interferometru laser Michelson este prezentată în dreapta. Acesta constă dintr-un laser, un separator de fascicule, o serie de oglinzi și un fotodetector (punctul negru) care înregistrează modelul de interferență.

Ce este un model de interferență?

Pentru a înțelege mai bine cum funcționează interferometrele, este util să înțelegem mai multe despre „interferență”. Oricine a aruncat pietre într-un iaz sau într-un bazin plat și sticlos și a urmărit ce s-a întâmplat știe despre interferență. Atunci când pietrele lovesc apa, ele generează unde concentrice care se îndepărtează de sursă. Iar acolo unde două sau mai multe dintre aceste unde concentrice se intersectează, ele interferează între ele. Această interferență poate avea ca rezultat un val mai mare, un val mai mic sau nici un val. Modelul vizibil care apare acolo unde unde undele se intersectează este pur și simplu un model de „interferență”.

Principiile de interferență sunt simplu de înțeles. Două sau mai multe unde interacționează. Adunați înălțimile undelor separate pe măsură ce acestea interacționează, iar unda rezultată este modelul de „interferență”. Figura din dreapta arată două tipuri specifice de interferență: interferența constructivă totală și interferența distructivă totală. Interferența constructivă totală are loc atunci când vârfurile și depresiunile a două (sau mai multe) unde se întâlnesc perfect. Atunci când sunt adăugate împreună, se „construiește” un val mai mare, a cărui dimensiune este egală cu suma înălțimilor (și adâncimilor!) celor două valuri în fiecare punct în care acestea interacționează fizic. Interferența distructivă totală are loc atunci când vârfurile uneia sau mai multor unde se întâlnesc și se potrivesc cu depresiunile unei unde identice. Adăugarea acestora are ca rezultat faptul că se anulează reciproc (adică se „distrug” reciproc).

În natură, vârfurile și depresiunile unui val nu se vor întâlni întotdeauna perfect cu vârfurile sau depresiunile unui alt val, așa cum arată ilustrația. În mod convenabil, indiferent de cât de sincronizate sunt ele atunci când fuzionează, înălțimea undei care rezultă din interferență este întotdeauna egală cu suma înălțimilor undelor care fuzionează de-a lungul fiecărui punct în care acestea interacționează fizic. Așadar, atunci când undele se întâlnesc puțin nesincronizate, se poate produce o interferență constructivă sau distructivă parțială. Animația de mai jos ilustrează acest efect. Unda neagră arată rezultatul adunării vârfurilor și depresiunilor undelor roșii și albastre în timp ce acestea se deplasează (interferează) una cu cealaltă. Însumând înălțimile/profunditățile fiecărei unde în fiecare punct, pe măsură ce acestea se deplasează una prin cealaltă, rezultă unda neagră. Observați că aceasta experimentează o gamă completă de înălțimi, de la de două ori mai mare/profundă (interferență constructivă totală) la plată (interferență distructivă totală). În acest exemplu, unda neagră reprezintă modelul de interferență (modelul care rezultă din interferența continuă dintre unda roșie și cea albastră). Observați cum continuă să se schimbe atâta timp cât undele roșii și albastre continuă să interacționeze.

Unda neagră în schimbare este modelul de interferență creat de undele roșii și albastre în timp ce trec prin/interacționează între ele.

Paralele cu lumina

Se întâmplă ca undele de lumină să se comporte exact ca undele de apă. Atunci când două fascicule de lumină laser fuzionează, și ele generează un model de interferență care depinde de cât de bine aliniate sunt undele de lumină atunci când se combină. La fel ca în cazul apei, atunci când vârfurile undelor unui fascicul se întâlnesc perfect cu cele ale celuilalt, se produce o interferență distructivă totală. În apă, rezultatul nu este nicio undă. În lumină, rezultatul este lipsa luminii! Dimpotrivă, atunci când vârfurile unui fascicul se întâlnesc perfect cu vârfurile altuia, are loc o interferență constructivă totală. Din nou, în apă, înălțimea undei rezultate este egală cu suma înălțimilor celor două unde; în lumină, rezultatul este o lumină egală cu suma intensităților celor două fascicule de lumină separate. Ducând această analogie până la capăt, în apă, pe măsură ce undele trec una prin cealaltă, ele pot experimenta o gamă completă de interferențe, de la parțial la total constructiv și distructiv (undă mai mare, undă mai mică, nici o undă). În lumină, rezultatul este o gamă completă de luminozitate, de la întuneric până la suma intensităților fasciculelor care interacționează.

Paralele între interferența constructivă și distructivă în apă și cu lumina. (Adaptat de la www.explainthatstuff.com)

Întorcându-ne la interferometrele LIGO, ceea ce dictează cât de bine aliniate sunt razele atunci când fuzionează este distanța pe care o parcurg înainte de a fuziona. Dacă fasciculele parcurg exact aceeași distanță, undele lor luminoase vor fi perfect aliniate, astfel încât să rezulte o interferență distructivă totală (LIGO este conceput în mod deliberat pentru ca acest lucru să se întâmple dacă nu trec unde gravitaționale). Dar dacă, dintr-un motiv oarecare, laserele nu parcurg aceleași distanțe, undele lor luminoase nu mai sunt sincronizate în momentul în care fuzionează, ceea ce înseamnă că nicio lumină, puțină lumină sau o lumină la fel de strălucitoare ca raza laser originală nu ajunge la fotodetector. Iar dacă brațele își schimbă lungimea în timp, apare o pâlpâire, deoarece fasciculele experimentează o serie de interferențe în funcție de modul în care se întâlnesc la un moment dat.

Cum afectează undele gravitaționale Interferometrul LIGO?

Undele gravitaționale fac ca spațiul însuși să se întindă într-o direcție și să se comprime simultan într-o direcție perpendiculară. În LIGO, acest lucru face ca un braț al interferometrului să se lungească, în timp ce celălalt se scurtează, apoi invers, înainte și înapoi atâta timp cât trece unda. Termenul tehnic pentru această mișcare este mișcarea „brațului diferențial”, sau deplasare diferențială, deoarece brațele își schimbă simultan lungimile în moduri opuse, sau diferențial.

Cum s-a descris mai sus, pe măsură ce lungimile brațelor se schimbă, la fel se schimbă și distanța parcursă de fiecare fascicul laser. Un fascicul aflat într-un braț mai scurt se va întoarce la separatorul de fascicule înaintea fasciculului aflat într-un braț mai lung, apoi situația se schimbă pe măsură ce brațele oscilează între a fi mai lungi și mai scurte. Ajungând la momente diferite, undele de lumină nu se mai întâlnesc frumos atunci când se recombină la separatorul de fascicule. În schimb, ele intră și ies din aliniere sau „fază” pe măsură ce se contopesc în timp ce unda face ca lungimile brațelor să oscileze. În termeni simpli, acest lucru are ca rezultat o pâlpâire a luminii care iese din interferometru. Acest proces este ilustrat în clipul din dreapta din Mesagerii lui Einstein .

În timp ce, în principiu, ideea pare aproape simplă, în practică, detectarea acestei pâlpâiri nu este. Schimbarea lungimii brațului cauzată de o undă gravitațională poate fi la fel de mică ca 1/10.000 din lățimea unui proton (asta înseamnă 10-19 m)! Mai mult decât atât, găsirea unei pâlpâiri a undei gravitaționale printre toate celelalte pâlpâiri pe care le experimentează LIGO (cauzate de orice lucru care poate scutura oglinzile, cum ar fi cutremurele sau traficul de pe drumurile din apropiere) este o altă poveste. LIGO Technology descrie în detaliu modul în care LIGO filtrează o mare parte din acest „zgomot” pentru a detecta „pâlpâirea” revelatoare a luminii cauzată de o undă gravitațională.

.