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两面镜子一束光,微型LIGO家中装

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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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