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干涉仪检测引力波的机理问题

(2018-09-03 14:25:12)
标签:

ligo

引力波

干涉仪

机制

波长

分类: 相对论

干涉仪检测引力波的机理问题

干涉仪检测引力波的机理问题

涂润生(2run3@sina.com

干涉仪检测引力波的机理问题

我对LIGO检测引力波的机理一直有疑问——在干涉仪的一个臂中传播的光子的波长会随空间被压缩(或者被拉伸)而同步变化,在两个臂中往返一次的两束光波就不会产生相位差,无法测出空间的振荡。昨天与湖北大学邵常贵教授交流受到一些启发。但邵教授说具体的细节要在以后出版的《空时,引力与宇宙》(或《大观宇宙论》)著作中介绍。我想了一个晚上,觉得也可以写出一篇批驳LIGO工作原理的科普级的文章了。

        1中,下图是上图的拉伸结果(当然也可以说上图是下图的压缩结果)。这种拉伸相当于空间的拉伸,图中的正弦波相当于在空间中传播的光子(电磁波)。不难看出,空间拉伸后,嵌在其中的正弦波的波长变长了。就是说,在空间被拉伸时,在空间中传播的光子也会被拉伸,其波长必定会变长(如果是空间被压缩,在其中传播的光子也会被压缩,波长变短)。但是,只要空间的起点和终点没有没有人为地改变(在LIGO中,就是光源的所在地和反射镜的所在地没有人为地变更),在其中传播的光子的振动次数也就不变。这样,在相互垂直的两臂中走了一个来回的两束光也就不会产生相位差,干涉不会发生。利用那样的干涉仪不能检测出引力波导致的空间振荡。在这种观念下,如果空间被拉伸了,波长变长,频率不变,光子的速度将超过c.

干涉仪检测引力波的机理问题

     从图中可以看出,空间被压缩或被拉伸,波长变,而波数不变,波数不变,相位就不变,与另一个臂的光子就没有相位差。干涉条纹不能形成。

LIGO工作者的解释是,光速不变,如果一个臂中的空间被压缩了,在其中运动的光子所花的时间就减少了,与另一束光就产生了相位差。干涉会发生,引力波能被检测到。

   但是,光速不变原理是在狭义相对论描述的惯性系中成立(空间的变化只与体系的运动速度有关),我们现在讨论的是在引力场导致的空间变化,空间的变化不是与体系的运动速度有关,而是与引力场的变化有关。因此,我们不能直接使用“光速不变原理”。一言以蔽之,此文讨论的是广义相对论中的情形,而不是狭义相对论中的情形。因此,不能简单地直接利用光速不变原理。

       如果LIGO要作辩解,最好的方案就是认为空间被压缩(或者被拉伸)时,嵌在空间中的电磁波的波长不变、频率不变,光速不变。而这种辩解不但上面的示意图直观地表明了它不正确,还与相对论的基本原则不符。相对论认为,如果空间收缩了,嵌在空间的任何物体都在收缩。光子当然也不例外。

       LIGO还有一种辩解方式。那就是认为一个光子不是一段正弦波而是一个点。然而,即使一个光子的传播是一个点上电磁场导致一下点产生感应电磁场而表现出点的向前移动,在空间被压缩的开始和结束这段时间内,这个点也是在被压缩了的空间中传播的。就是说,即使光子是一个点,空间压缩导致光子的波长被压缩。只是被压缩的不是一个完整的正弦波而可能一段正弦中的一个局部(当空间振荡周期小于光波的周期两倍时可以如此)。如果空间振荡的周期长于所用光波的周期的2 倍,还是可以有若干个完整正弦波的光波被压缩。

也许有人认为,如果是波长变短了,频率就变大了,它们的乘积是一个不变的值c. 以这种方式保持了光速不变。但是,如果引力波导致了光子的周期改变,那引力会同时引起沿那个相互垂直的两个臂传播的光波的频率改变(同时增大或减小)。一旦是频率增大,那么,在一个臂中光速不变被保持了,但在另一个臂中,波长未变,频率增大,光速就会超过c.

干涉仪检测引力波的机理问题

综上所述,LIGO只能认为空间振荡时,在其中传播的光子的波长不变、光速不变。这样,虽然能验证相对论预言的引力波的存在,但是,又违背相对论有关时空收缩和拉伸对镶嵌其中的物体的长度的影响的既定原则。在空间可以发生垃伸和压缩的前提下,认为在其中传播的光子的波长变,频率变和不变能导致光子速度超过c的反相对论结果。

                                                                                              2018年9月3日

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