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  • 星帆LIBS
  • 两面镜子一束光,微型LIGO家中装
  • 发布时间:2022-05-13 15:12:05

  • 引子与先睹为快

    10月3日,瑞典斯德哥尔摩

    为表彰他们对LIGO探测装置的决定性贡献

    以及探测到引力波的存在

     雷纳·韦斯,巴里·巴里什和基普·索恩三位教授

    荣获2017年度诺贝尔物理学奖

    还是10月3日,北京王府井

    你们可能永远无法理解一个物理狗

    即使走在熙攘人群中也迫切期望诺奖的心情

    小编的基友守着屏幕,第一时间发来这张图

    嗯,引力波,实至名归。

    但是,小编还有一个愿望

    把引力波探测的原理告诉大家

    在亲自动手中一起体会诺奖的乐趣

    有人说,这么高端的名词离我们太远了

    真的是这样吗?



    实验器材与实验过程


    激光笔,玻璃片,支架,白色屏幕(纸或泡沫塑料)
    钳子(或其他用来固定玻璃片的工具),两面镜子(未体现)。


    首先,将两面镜子垂直摆放

    把玻璃片用钳子固定,高度确保合适

    尽量分别于两面镜子呈45度夹角

    用支架撑起白色屏幕,放在某一面镜子的对面

    光源放置在另一面镜子的对面

    示意图如下图所示:


    小编做出的模型如下图:

    (好像比想象中简陋了许多


    首先,打开激光笔并保持不动

    调整玻璃片位置保证在屏幕上形成两个光斑



    现在,我们研究两个光斑的来源

    将正前方的镜子挡住,发现下方光斑消失


    将右方的镜子挡住,发现上方光斑消失



    说明上方光斑来源于

    激光被玻璃片反射后经右侧镜子反射后

    经玻璃片透射而来

    而下方光斑来源于

    激光从玻璃片透射后经前侧镜子反射

    后经玻璃片反射而来

    嗯,相信大家已经很清楚为什么有两个相点了



    下面要通过钳子调整玻璃片的角度和位置

    实现对光路的不断微调


    通过屏幕上光斑的位置,不断调节

    (这里悄悄告诉大家一点:光路很容易受影响

    科研实验中调好光路同样十分困难)


    直到两个光斑完全重合在一起


    理想情况下,两束激光会互相干涉

    形成明暗相间的条纹

    示意图如下所示:


    至于为什么放一张示意图呢?

    因为这个实验要求极高

    只有光斑严格重合时才可以观测到干涉现象

    限于光源和实验条件,小编也没有看到条纹啊

    当然,各位大小朋友自己动手的时候

    只要把光路搭好、调整光斑重合就算过关了


    原理解说




    其实这个装置,就是一台

    自制的迈克尔孙干涉仪

    当年迈克尔孙和莫雷用这个原理

    成功证明了以太并不存在

    理想状态下系统的光路图如下图所示


    实验中的玻璃片,起到分光镜作用

    当激光通过分光镜时,一部分继续前进至平面镜A

    另一部分被分光镜反射后朝平面镜B运动

    两束光被镜A和镜B完全反射

    之后这两束光会分别有一部分向屏幕运动

    形成屏幕上的两个光斑

    然而两束光走过路程不同,当它们在屏幕相遇时

    由于光具有波动性

    两束光的路程差为波长的整数倍时

    会互相加强而变亮

    两束光的路程差为波长的半整数倍时

    会互相抵消而变暗

    发生干涉,在屏幕上看到明暗相间的条纹

    等等,这和引力波有什么关系???

    由于迈克尔孙干涉仪的条纹仅和光程差有关

    因此,它可以测出几百纳米距离的变化

    我们自己搭的小装置,分光镜与平面镜距离很近

    如果把这个距离拓展到3~4km

    就会更加灵敏,测出更小距离变化

    根据爱因斯坦的广义相对论

    遥远的大质量星体旋转时会释放引力波

    作为空间与世界的周期性压缩在宇宙传播

    当引力波到达地球时

    将会引起两面反射镜与分光镜距离的变化

    造成干涉条纹的移动

    这就是LIGO(光干涉引力波观测台)巨型装置

    两面镜子一个分光镜一束光

    即是其最基本的原理


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