Zwei Fragen zu Photonen: Gravitationswellen/Abbremsen

Hi,

zwei fast unabhängige Unklarheiten zu Photonen, die ich mich etwas länger frage.

1.: Es wird ja per Laser versucht Gravitationswellen zu messen. Warum funktionieren das denn, wenn durch gekrümmten/gestauchten Raum auch Licht gekrümmt/gestaucht wird?
Der Meter bleibt doch ein Meter. Der ganze Raum wird doch gestaucht, das Licht sollte doch durch den gestauchten Meter (mit seiner Lichtgeschwindigkeit) genauso lange brauchen wie durch einen ungestauchten Meter. Wenn das Licht den gestauchten Raum in kürzerer Zeit zurücklegen sollte, dann wäre es doch Überlichtgeschwindigkeit?!
Warum hoffen die bei den Gravitationswellenexperimenten denn dann da was messen zu können?

2.: Es gibt ja Theorien, dass Photonen zerfallen könnten ( http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2013/07/29/instabiles-licht-konnen-photonen-zerfallen/ ).
Dort heißt es, dass Photonen möglicherweise eine Halbwertszeit von 3 Jahren haben könnten, aber durch die Lichtgeschwindigkeit sind das für uns als Beobachter viele Milliarden Jahre.
Jetzt meine Frage: Würde es was bringen, die Photonen abzubremsen?
Licht kann ja schon mehrere Sekunden auf die Geschwindigkeit von null abgebremst werden. Wenn diese hypothetisch drei Jahre lang auf null gebremst werden würden, wäre damit der Zerfall nachweisbar? Oder sind die Photonen nicht mehr die gleichen, da sie beim Abbremsen vom Kristall zwischenzeitlich aufgenommen und wieder abgegeben werden?
Ist das in jedem Medium der Fall, wo Photonen abgebremst werden? In der Atmosphäre auf Meereshöhe ist die Lichtgeschwindigkeit ja eine andere als im Vakuum. Ist das auch hier durch Aufnahme und wieder Abgabe der Photonen gebremst?

Conz schrieb:

Warum hoffen die bei den Gravitationswellenexperimenten denn dann da was messen zu können?

Zum Vergrößern anklicken....

Hallo Conz!

stelle Dir die Laserinterferometer bei diesen Experimenten so wie Michelson-Interferometer vor. Wird ein Arm des Interferometers durch eine polarisierte G-Welle ein wenig gestreckt, passen etwas mehr Lichtwellen (bzw. ein kleiner Teil einer Lichtwelle) in diese Wegstrecke, wodurch sich dann das Interferenzbild ändert.

Die Idee, dass Photonen zerfallen können, ist aus mehreren Gründen sehr exotisch. Zum einen gibt es keine experimentellen Hinweise darauf. Zum zweiten müsste dazu das Photon tatsächlich massebehaftet sein (siehe Artikel). Zum dritten benötigt man aber noch Teilchen, in die das Photon zerfallen könnte (es gibt auch massebehaftete jedoch stabile Teilchen, z.B. das Elektron); welche sollen das sein?

Bernhard schrieb:

Wird ein Arm des Interferometers durch eine polarisierte G-Welle ein wenig gestreckt, passen etwas mehr Lichtwellen (bzw. ein kleiner Teil einer Lichtwelle) in diese Wegstrecke, wodurch sich dann das Interferenzbild ändert.

Zum Vergrößern anklicken....

Wenn ich Conz richtig verstanden habe, geht er davon aus, dass sowohl der "Arm" als auch der eingeschlossene "Lichtstrahl" in gleicher Weise gestreckt werden.

Messaufbau und Messstrahl sind nicht (genügend?) entkoppelt.

Dieser Meinung könnte ich mich anschließen.

Nathan5111 schrieb:

Messaufbau und Messstrahl sind nicht (genügend?) entkoppelt.

Zum Vergrößern anklicken....

Verstehe ich nicht. Die beiden Messarme sind um 90° zueinander versetzt. Und wie man aus der Längenkontraktion weiß, beeinflusst eine Raumzeitkrümmung (aka Gravitationswelle) eine Messstrecke mehr als die andere.

Nathan5111 schrieb:

der "Arm"

Zum Vergrößern anklicken....

Vielleicht liegt es daran, dass man nur einen Messarm annimmt

FrankSpecht schrieb:

Die beiden Messarme sind um 90° zueinander versetzt.

Zum Vergrößern anklicken....

Siehe auch http://relativ-kritisch.net/forum/viewtopic.php?t=1978

Elektromagnetische Wellen parallel zur Gravitationswelle werden von dieser also nicht beeinflusst.

Zum Vergrößern anklicken....

Zusätzlich verändern die frei schwebenden Enden beider Arme ihre Position wodurch dann die Laufzeitunterschiede entstehen sollten. Für mehr Details s. vorerst google.

Danke für die Antworten.

Gravitationswellen:
------------------
Aus dem "relativ kritisch Forum" Beitrag werde ich nicht wirklich schlau. Interessant dabei ist, dass dort ein Unterschied gemacht wird, ob die elektrom. Wellen parallel oder quer zu den Gravitationswellen laufen.
Wenn es heißt, "Elektromagnetische Wellen parallel zur Gravitationswelle werden von dieser also nicht beeinflusst. ", ist mir nicht klar, ob diese mit gestaucht/gestreckt werden oder nicht.
Alle anderen Messmethoden für die Länge der Strecke würden ja mit gestaucht/gestreckt werden.
Heißt das, dass die " Elektromagnetische Wellen" nicht mit gestaucht/gestreckt werden? Und damit die Lichtgeschwindigkeit bei gestauchtem Raum überlichtschnell unterwegs ist?
(Basiert darauf die Theorie eines Warp-Antriebs, der durch Stauchung des Raumes vor dem Raumschiff Überlichtgeschwindigkeit ermöglichen könnte?)
Erstaunlich finde ich dann ja, dass Licht durch "Gravitationslinsen" gebeugt wird (dem gekrümmten Raum folgt), aber durch Gravitationswellen (gestauchter/gestreckter Raum) nicht beeinflusst werden sollte. Das kratzt etwas an meiner bisherigen Vorstellung von Raum (und elektrom. Wellen in diesem).

Bei meiner bisherigen Vorstellung, dass das Licht mit gestaucht/gestreckt wird, sollte es egal sein, ob es ein oder zwei (90° gedrehte) Messarme sind - und nichts zu messen sein.
Dem scheint es ja nicht so zu sein.

Abbremsen von Photonen:
-------------------------
Mir scheint es auch unwahrscheinlich, dass Photonen eine Ruhemasse besitzen und damit zerfallen können.
Bei meinen Fragen ging es eher um die mögliche Nachweismethode des Zerfalls, durch Reduzieren der Geschwindigkeit der Photonen sollte es doch dann möglich sein den Zerfall beobachten zu können, da sich damit die (beobachtete) Halbwertszeit von vielen Milliarden Jahren auf drei Jahre reduzieren sollte.
Interessant dabei ist, ob die Photonen bei Abbremsen über die Jahre die gleichen Photonen bleiben, oder ob durch die Aufnahme im Kristall und wieder Abgeben der Photonen die Halbwertszeit beeinflusst wird.
Und ob in jedem Medium, wo die Lichtgeschwindigkeit reduziert wird, der Effekt von Aufnehmen und wieder Abgeben von Photonen auftritt, oder ob wirklich die Photonen langsamer werden. (Um damit einen möglichen Nachweisweg finden zu können, indem Photonen wirklich abgebremst, und nicht immer von einem Kristall aufgenommen und wieder abgegeben werden)

Nochmal: selbst wenn Photonen eine Masse hätten und abgebremst werden könnten - in welche Teilchen sollen sie denn zerfallen? andere massebehaftete Teilchen (Elektron, Neutrino) sind ebenfalls stabil

@TomS:
Dann lassen wir das mit dem Zerfall mal weg, um den ging es mir auch nicht wirklich.
Mich interessiert eher das mit dem Abbremsen von Photonen, und ob die Photonen beim Abbremsen die gleichen bleiben.
(Wenn sie denn die gleichen bleiben, dann wäre es möglicherweise auch interessant bei der Zerfallsdiskussion, die war nur mein Aufhänger)
Abbremsen von Licht geht ja schon über eine Minute.
http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/2178838/

Interessant wäre diese Frage auch für Kommunikation mit Überlichtgeschwindigkeit, wo Photonen verschränkt ,und dann beide (das Photonenpaar) durch Abbremsen "gelagert" werden. Das eine Paket Photonen wird dann z.B. in einem Raumschiff mitgenommen und später zur Kommunikation mit der Erde genutzt (über den Weg der Verschränkung/Fernwirkung dann instantan).
Dafür müssten die Photonen doch auch die gleichen bleiben, oder bleibt die Verschränkung bestehen, wenn ein Photon beim Abbremsen vom Kristall aufgenommen und wieder abgegeben wird?

Die Frage bleibt die gleiche, ob die Photonen bei Abbremsen (in jedem Medium) die Ausgangsphotonen bleiben, oder ob Abbremsen immer mit Aufnahme/Abgabe des Photons zu tun hat.

Beim Abbremsen von Licht in Medien (ob jetzt masselos oder nicht) bleiben die Photonen nicht die selben; vielmehr findet eine komplexe WW zwischen Licht und Medium statt.

Wenn Photonen nicht masselos wären, könnten sie möglicherweise abgebremst werden und dabei ihre Identität behalten (so wie Elektronen in einem elektrischen Feld), aber das ist noch mehr Spekulation.

Bei Experimenten mit verschränkten Quantenobjekten kann prinzipiell keine Information mit Übelichtgeschwindigkeit übertragen werden.

Nathan5111 schrieb:

Dieser Meinung könnte ich mich anschließen.

Zum Vergrößern anklicken....

Ich werde mich der ursprünglichen Frage 1 im Rahmen meiner Möglichkeiten noch mal etwas intensiver widmen. Eigentlich müsste man zeigen können, dass das Laserlicht anders auf die G-Welle reagiert, als die frei schwebenden, massiven Ecken des Detektors.

EDIT: Laut Lösung im "Fließbach" werden ruhende Uhren von der G-Welle nicht beeinflusst. Die Frequenz des Laserlichts wird also von der G-Welle nicht beeinflusst. Man müsste jetzt nur noch wissen, ob die Gleichung c = lambda * nue auch im gekümmten Raum gilt, denn dann würde mit der Frequenz auch die Wellenlänge des Laserlichts konstant bleiben.

Bernhard schrieb:

Eigentlich müsste man zeigen können, dass das Laserlicht anders auf die G-Welle reagiert, als die frei schwebenden, massiven Ecken des Detektors.

Zum Vergrößern anklicken....

Hallo zusammen,

ich habe heute mal in die kovarianten Gleichungen (=allgemein relativistische Gleichungen) der Elektrodynamik die Metrik für eine schwache Gravitationswelle eingesetzt und bin dabei auf einen interessanten Term gestoßen, der als elektrisch geladenes Medium interpretiert werden kann. Man kann damit dann davon ausgehen, dass die Laserwelle mit dem Detektor gestreckt und gestaucht wird. Zusätzlich wird der Wellenverlauf des Laserlichts aber auch noch von der Wechselwirkung zwischen G-Welle und Laserlicht verändert. Anschaulich kann man sich das so vorstellen, als würde man in die Meßstrecke Atemluft blasen und über die zugehörigen Dichteschwankungen der Luft die Lichtgeschwindigkeit so verändern, dass es zu Interferenzen kommt. (In der Realtität verläuft diese Messstrecke natürlich im Vakuum).
MfG

Hi Bernhard,

vielen Dank für Deine Beschäftigung mit dem Thema.
Dass die Wellen mit dem Detektor gestreckt/gestaucht werden, das ist ja schon mal sehr interessant.
Ganz ist mir das noch nicht klar, wie sich das mit der Art "Dichteschwankung" im Vakuum verhält. Zumindest ist das die fehlende Information, dass es da einen anderen Mechanismus gibt, der dann letztendlich zu den Interferenzen (in den kombinierten Laserwellen) führt.

Conz schrieb:

Ganz ist mir das noch nicht klar, wie sich das mit der Art "Dichteschwankung" im Vakuum verhält.

Zum Vergrößern anklicken....

Die Gleichung sieht in diesem Fall wie folgt aus:

Quadrat A^{\mu} = WW^{\mu}

und gilt für diejenigen Koordinaten, in denen die Detektor-Enden ruhen, also x^i = const.
Ohne den Wechselwirkungsterm WW^{\mu} hätte man die bekannte Gleichung aus der Elektrodynamik. Diese beschreibt, wie sich die Welle mit einer "festen" Wellenlänge vom Laser zum Detektor bewegt. "Fest" bedeutet dabei: konstant in diesen Koordinaten.

Der Wechselwirkungsterm enthält das Feld der G-Welle und das Feld des Laserlichtes.

Conz schrieb:

Warum funktionieren das denn, wenn durch gekrümmten/gestauchten Raum auch Licht gekrümmt/gestaucht wird?
Der Meter bleibt doch ein Meter. Der ganze Raum wird doch gestaucht, das Licht sollte doch durch den gestauchten Meter (mit seiner Lichtgeschwindigkeit) genauso lange brauchen wie durch einen ungestauchten Meter.

Zum Vergrößern anklicken....

Was du hier beschreibst, wäre eine reine Koordinatentransformation, ähnlich wie beim Effekt der "Längenkontraktion" in der SRT. Diese ist im Ruhesystem des Meterstabs natürlich unbeobachtbar; es hat sich ja nicht wirklich etwas getan, sondern es wurden nur neue Koordinaten zugewiesen. Es war tatsächlich einige Zeit nicht klar, dass Gravitationswellen nicht auch nur solch ein unmessbarer Koordinateneffekt wären.

Sind sie aber nicht. Wenn eine Gravitationswelle durchläuft, werden zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich alle Abstände kleiner. Ein Meterstab wäre dann (wenn die Kontraktion plötzlich erfolgt wäre) zwar tatsächlich auch auf z.B. 99 cm kontrahiert, das allerdings in einem ziemlich realen Sinne: Die einzelnen Moleküle wären nicht mehr im Gleichgewicht, sondern ziemlich nah zusammengepresst. Er würde auch sofort wieder mit einiger Gewalt auseinanderspringen und seine wahre Länge von 1 m einnehmen. Im Vergleich dazu würden zwei "im Nichts schwebende" Spiegel - wie z.B. die an Fäden aufgehängten Spiegel heutiger Gravitationswellendetektoren - in ihrem neuen Abstand von 99 cm verbleiben. Dieser Abstand wäre auch in mit Hilfe der Lichtlaufzeit (einem "idealisierten Meterstab" also) messbar, ganz normal.

In Wirklichkeit ändern sich die "Soll-Abstände" natürlich nicht plötzlich und verbleiben dann (im kräftefreien Fall) so, sondern ändern sich sanft und periodisch. Ein "starrer" Meterstab würde diesen Änderungen also auch nicht einfach folgen - er hätte ja Zeit, sich wieder in Richtung Ruhelänge zu dehnen-, sondern nur eine periodische Kraft spüren. Wenn diese allerdings genau in der Resonanzfrequenz der Meterstabs angreifen würde, und dieser wenig Dämpfung hätte, könnte dadurch tatsächlich eine messbare Schwingung ausgelöst werden.

Hallo Ich,

das sind zwei sehr gute Links zum Thema. Trotzdem ein paar Bemerkungen dazu. Zum einen wird die Lichtlaufzeit gerade an interferometrischen Detektoren gar nicht gemessen, weswegen man sich dort tatsächlich Gedanken über den Verlauf der Wellenberge und -täler machen sollte. Insofern also meine Zustimmung zur Kritik von Nathan und Conz.

Zum anderen zeigt das schöne Experiment von Feynman dass der Holzstab in der Welle den schwachen G-Kräften gerade entgegenwirkt und in der Länge unverändert bleibt, wohingegen die frei beweglichen, angeklebten Perlen an dem Stock hin- und herbewegt werden.
MfG

Zum einen wird die Lichtlaufzeit gerade an interferometrischen Detektoren gar nicht gemessen, weswegen man sich dort tatsächlich Gedanken über den Verlauf der Wellenberge und -täler machen sollte.

Zum Vergrößern anklicken....

Da sehe ich keinen Unterschied. Ich denke mir z.B. die Wellenberge durch "Lichtteilchen" markiert, die die beiden Arme entlanglaufen. Treffen die beiden Lichtteilchen nicht gleichzeitig wieder am Ausgangspunkt ein - unterscheidet sich also die Lichtlaufzeit-, so sind die Wellenberge zueinander phasenverschoben und das Interferenzmuster ändert sich.
Was mit den Partikeln passiert, die schon in der Pipeline sind, ist eher sekundär. Ob also die Wellenberge da zusammengestaucht werden oder nicht, allein aufgrund der unterschiedlichen Laufzeiten wird sich das Interferenzmuster irgendwie ändern.

Ich schrieb:

Treffen die beiden Lichtteilchen nicht gleichzeitig wieder am Ausgangspunkt ein - unterscheidet sich also die Lichtlaufzeit-, so sind die Wellenberge zueinander phasenverschoben und das Interferenzmuster ändert sich.

Zum Vergrößern anklicken....

Da gibt es obigen Einwand von Conz, dass man zwischen Start- und Endpunkt der Laserwelle eine variable Phasengeschwindigkeit haben könnte. Die Lichtlaufzeit wird damit verändert, aber nicht der Zustand am Ende der Welle (Berg oder Tal). Der kovariante Formalismus gibt diesem Einwand zum Teil Recht, weil die Phasengeschwindigkeit nur in den variablen Koordinaten konstant ist.

Die Phasengeschwindigkeit im Vakuum ist gleich der Gruppengeschwindigkeit bzw. der Geschwindigkeit der gedachten "Lichtteilchen", egal in welchen Koordinaten man das ausdrückt. Dagegen gibt es kein Argument - zumindest nicht, solange die Lichtwellenlänge erheblich kleiner ist als die Wellenlänge der Gravitationswellen, weil man dann im asymptotisch flachen Raum argumentiert. Der zeigt keine Diffraktion.

Bernhard schrieb:

Die Gleichung sieht in diesem Fall wie folgt aus:

Quadrat A^{\mu} = WW^{\mu}

Zum Vergrößern anklicken....

Hallo zusammen,

ich denke, ich habe mich da vertan. Das Volumenelement sqrt(-g) enthält nämlich nur Terme, die quadratisch in der Amplitude der G-Welle sind. Die em-Welle sollte damit (innerhalb der verwendeten Genauigkeit) genau so wie der Arm gestreckt werden. Momentan kann ich mir einen Nachweis der G-Welle also nur über eine veränderte Laufzeit der Welle vorstellen. Man bräuchte dann direkt neben dem Laser eine sehr genaue Uhr (Atomuhr oder etwas besseres), um unterschiedliche Laufzeiten zu messen. Das Gegenargument von 'Ich' kann ich momentan nicht recht nachvollziehen, bzw. gelten lassen, weil der mathematische Formalismus dem (scheinbar ?) widerspricht.
MfG