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重力波で光の波長は変化しないのでしょうか?
LIGO(The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) レーザー干渉計重力波観測所で重力波が観測されました。 レーザーを2つに分けて、縦横に行かせて、各々の光は4kmの光路 を往復してきて合わせる。各々の光路長が重力波で変化する。その 変化に応じて位相がずれて光が干渉する。干渉の度合いから重力波 が観測されます。添付動画の2:07～2:52のあたりで説明しています。 重力波のため時空がゆがんで光路長が変化するのを納得しました。 でも、重力波のため、光の波長も一緒に変化して、結局位相がずれな いような気がしてしまいました。 結果としては、位相のずれが観測されました。だから、位相がずれな いような感じは誤りです。もしかして、重力波は縦波、光は横波なの で、時空の粗密があっても光の波長は変化しないで、位相がずれると いうことなのでしょうか? でも、こちらのサイトでは重力波は横波なのだそうです。 http://eman.hobby-site.com/relativity/gwave.html 問をまとめると4つあります。 ・重力波で光路長が変化する時、変化する光路上にある光の波長は伸 び縮みしないのでしょうか? ・おそらく光の波長は伸び縮みしなくて、それはなぜでしょうか? ・重力波は縦波でしょうか?横波でしょうか? ・重力波が縦波なので、横波の光の波長が変化しないのでしょ うか? こちらも参考にしました。 https://okwave.jp/qa/q7837378.html Q:重力波は原理的に測定できるの？
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- tetsumyi
- ベストアンサー率25% (1946/7534)
変化するけど太陽の側を通過するくらいの変化であれば測定に掛かるが、遠くの重力場の変化で減衰し極めて小さい変動ですから測定には影響しない。 最高の知識を持った研究者達ですから、この程度は当然想定内です。
- terminator_5
- ベストアンサー率37% (182/487)
干渉計の鏡は自由に振動するように保持されています。 重力波により空間は伸縮しますが、鏡は慣性質量により空間の振動に追従せずに位置を保とうとするため、時空間から見た鏡が振動して光が往復する距離が変化します。
お礼
うおっ！すげぇ。納得した。test massの理解。レーザ発振器や、鏡 が動くとドップラー効果だー！とか叫びたくなるのが、質量があって 動かないことにするとスッキリ。 時空と光と鏡がある。だいたい4パターンあるか。 (1)時空と光が伸び縮みする。鏡固定。 →測れる。 (2)時空が伸び縮みする。 鏡固定光固定。→測れない。 (3)時空と鏡が伸び縮みする。光固定 →測れる。 (4)時空と光と鏡が伸び縮みする。 →測れない。 元■＼__／￣＼__／￣■ 光源 受光器 ↓重力波 時空が縮む (1)■＼__／￣＼／￣＼■ 鏡固定光縮み→位相ずれ→測れる。 (2)■＼__／￣＼__／￣■ 鏡固定光固定 →測れない。 (3)■＼__／￣＼__／■ 鏡縮み光固定→位相ずれ→測れる。 (4)■＼__／￣＼／￣■ 鏡も光も縮み →測れない。 質問では元に対する(4)と(3)の比較だったのだが、no.1が言うように (1)と考えるのが良い。 LIGOのまとめだと、外乱を避けるためのtest massだと言っている 。http://ligo.org/science/Publication-GW150914/ のjapanaseをクリックすると日本語の説明が読める。2ページ目の 下から8行目に下記のようにある。 ーーーー引用しますーーーー •大きく重い溶融シリカテストマスを使用して、ミラーのランダム な動きを減少させた ーーーー引用終わりーーーー 重力波により動かなくするためではないかもしれない。 もっとうまい言い方がありそうだが・・・光が重力波で遠回りする みたいな感じの・・・。 http://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/plan/aboutu-gw 検出方法の項目に下記のような記載が有り、図では光が蛇行した 様子で、レーザ光源と鏡と受光機の位置が変化していない。 ーーーー引用しますーーーー 光は重力波によってゆがんだ空間に沿って走る性質があり、 ーーーー引用終わりーーーー 光の気持としては、伸び縮みしないで、時空に沿って遠回りまた は近道して進むってことになるかなぁ・・・。光の波長は変わら ないっぽいな。なんて相対的・・・。 本質問の元は下記の質問に回答したときに、お礼コメントをいた だいて、触発されました。 質問した時点では気づいていませんで した。遅ればせながらこちらも見て頂けると面白いかもしれませ ん。反相対論・反LIGO・エーテル派の質問者様のようです。 https://okwave.jp/qa/q9381843/a26165766.html Q:ＬＩＧＯとエーテルの共通点と矛盾 ーーーー引用しますーーーー もしＬＩＧＯが何かを計測できたなら、ＬＩＧＯの光の経路 に1個だけ光の伝播媒体が存在するのです。 ーーーー引用終わりーーーー 現状の理解は、時空の上に重力場があって、重力波が伝わる。 重力場の上に電磁場があって、電磁場もゆがむ。経路が変わる が、光の波長はかわらない。 時空の上に重力場が乗ってて、重力場の上に電磁場が乗ってる 理解となった。 光路が伸び縮みするというより、光路が蛇行すると見るほうが 正しいような感じです。 重力波が縦波だから、光の横波と関係しない説は自分でも理解 できないので、そっとしておくことにします。 問としては、 光は重力波によってゆがんだ空間に沿って走る性質があるのは どうしてですか?ゆがんだ空間に沿って電磁場がゆがむという事 でしょうか? ということになります。
補足
no.2への補足コメントを訂正します。 旧) 下記の問は答えが出ました。 ・重力場で光の波長が変化するとして、重力場の外に光が出て いくときには光の波長は元に戻るのでしょうか? 答え-戻らない。重力赤方偏移したままになる。 新)下記の問はやっぱりよくわからない。 ・重力場で光の波長が変化するとして、重力場の外に光が出て いくときには光の波長は元に戻るのでしょうか? 重力場の内に光が入るときに重力青方偏移し、重力場の外に光 が出ていくときに同じだけ重力赤方偏移し、光の波長は元に戻 る。おそらく、光の進行方向で、光の後方よりも重力場の重な った量が少なければ光は重力赤方偏移すると思われる。 疑問なのは重力レンズと同様の事柄なのだろうか? https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8D%E5%8A%9B%E3%83%AC%E3%83%B3%E3%82%BA 同様であれば、no.2の太陽の側との指摘と重なりそうだが、別 の事柄のようです。やっぱりよくわからなくなりました。
お礼
(1)太陽の側の重力場を光が通過する時、太陽の側の光の波長は測 定に掛かるくらい変化する。 (2)重力波は遠くの重力場の変化でLIGOに届いたものは減衰して極 めて小さい重力場の変動である。重力波によるLIGO内部での光 の波長の変化は測定に影響しない。 (3)質問者に知識が足りないので、重力場、重力波による光の波長の 変化が理解できていない。 上記(1)(2)(3)のように読み取りました。 (1)に反して、下記の問答では重力場によって光の波長は変化しない ように読めます。 光行差、重力レンズ効果はいづれも光の伝播速度が有 https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q10148054595 ベストアンサーを引用します。 ーーーー引用しますーーーー 重力レンズは進む道(空間)自体が曲がってしまうワケで光だけが 曲げられる屈折等とは違うからでしょうね。光行差は受ける側(地 球側)の問題であって電磁波自体に変化があるワケじゃないし。 ーーーー引用終わりーーーー 太陽の側を光が通るときに、重力場により光の波長が変化したとし て、太陽の側を通り過ぎた後は重力場の影響が無くなり光は元の波 長に戻るのでしょうか? (2)について、正しいか・誤りか分かりません。重力場の影響が無く なった後も光の波長が変化したままのとき干渉が起こらなくなります 。ですが、LIGOの中の光への重力波による光の波長の変化が無視で きるほど小さければ、干渉は起こります。 (3)について、質問者は音波と光波の区別がはっきりできていなかっ たです。そのため、重力波は縦波では?との疑問が出ましたが、それ は置いておきます。 経路差と光路差の区別が未だもやーんとしていることが質問者の 光の波長が変化するのでは?という疑問につながるのだと思いま す。質問者は高校卒業の物理レベルとお考え下さい。わかりやす い高校物理の部屋、下記URLを参考に質問者の物理レベルを示し ます。 http://wakariyasui.sakura.ne.jp/ 力学-単振動、電磁気-電場-磁場-電磁波の発生-電波、波動-光波- 光の干渉、程度の知識です。 幾何光学、波動光学、電磁気学、量子光学と言うように光につい て学ぶ段階があるようです。質問者は幾何光学の外へ出たあたり の者と考えて頂くとよいようです。あと相対性理論はよくわかっ ていないようです。 科学者がどんな想定をしたかを知りたいです。 重力波で時空が伸びるときに光が遠回りするのは理解できそうで すが、重力波で時空が縮むときに光はどうやって近回りをするの か?というのが問になるようです。時空は縮むが光としては、 必ずやるって決めた時には「直線」だッ！ 今のオレは何が何でも「直線」で突っ切るのよッ！ と時空に合わせて波長を縮ませずに突っ切るように思っています 。そうすると光路差が発生します。でも、時空が伸びるときの遠 回りもやっぱり 必ずやるって決めた時には「直線」だッ！ 今のオレは何が何でも「直線」で突っ切るのよッ！ と時空に合わせて光路を変えずに突っ切るように思ってしまいま す。 no.1へのお礼コメントでまとめた問は下記でした。 光は重力波によってゆがんだ空間に沿って走る性質があるのはど うしてですか?ゆがんだ空間に沿って電磁場がゆがむという事 でしょうか? no.1とno.2により問が下記のようになりました。 ・重力波で光の波長は変化するのでしょうか? ・重力場で光の波長が変化するとして、重力場の外に光が出てい くときには光の波長は元に戻るのでしょうか? ・光は重力波によってゆがんだ空間に沿って走る性質があるのは どうしてですか? ・ゆがんだ空間に沿って電磁場がゆがむという事でしょうか? ・重力波で時空が縮むときに光はどうやって近回りをするのでし ょうか?
補足
https://www.youtube.com/watch?v=-aSePctB2TE 重力場を光が脱出する時に光はエネルギーを失って振動数が減っ て波長が伸びて赤方偏移するらしい。重力赤方偏移と言うらしい 。この点についての回答だったのだと思う。この場合は光が重力 場へ近づいて遠ざかっていく。 でも、重力波観測の場合は、重力波が、光へ近づいて、たぶん遠 ざかっていく。 ものが4つある。重力場、重力波、光、時空。もともとの質問は そのうちの3つについてで、重力波と光と時空についてだった。 3つのパターンがある。 ・重力波により、光も時空も影響を受ける。 ・重力波により、時空が影響を受けて、時空が受けた影響に影 響されて、光が影響を受ける。 ・重力波により、時空が影響を受ける。重力波により、光は影 響を受けない。時空が受けた影響により光は影響を受けない 。 重力波→時空 重力波→時空→光 重力波→時空 光 ↓ 光 重力波と光が交差している間だけ光路は影響を受けるだろう。波 面は斜めに光路を横切るだろう。1波長/光速を角度分引き伸ばし た間だけ光路は影響を受けるだろう。 ＼ ↑斜めに横切る 発光❙ーーー＼ーーーーー❙反射 ＼重力波面 もしかして重力波が通過した後の時空は水位が上がるように伸び ているのではなかろうか? 波が通り過ぎた後元の水位に戻らない場合のように、重力波が通 り過ぎた後も元の時空の伸び具合に戻らないのではなかろうか? 下記によると、だいぶ様子が違うようだ。 干渉計型重力波検出器の現状と展望 https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjspe/76/11/76_11_1217/_pdf ーーーー引用しますーーーー 本稿で議論する重力波は，あまり一般的な存在ではない．これ は，重力をつかさどる場，重力場の波動を意味する. －－－－引用終わりーーーー 下記の問は答えが出ました。 ・重力場で光の波長が変化するとして、重力場の外に光が出てい くときには光の波長は元に戻るのでしょうか? 答え-戻らない。重力赤方偏移したままになる。 追加の問は4つです。 ・重力場と時空のどちらを重力波は伝わっていくのか? ・光は電磁場と時空のどちらを伝わっていくのか? ・波が通り過ぎた後元の水位に戻らない場合のように、重力波が 通り過ぎた後も元の時空の伸び具合に戻らないのではなかろう か? ・時空と重力場の2つを考慮しなければならないように、場所と 距離がきっちり対応した考えを捨てなければならないのではな いか? no.2のお礼コメントの問を再掲します。 ・重力波で光の波長は変化するのでしょうか? ・光は重力波によってゆがんだ空間に沿って走る性質があるのは どうしてですか? ・ゆがんだ空間に沿って電磁場がゆがむという事でしょうか? ・重力波で時空が縮むときに光はどうやって近回りをするのでし ょうか? 8つの問が残りました。