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Liebes Team von "Sterne und Weltraum" ich habe da mal eine Frage: Wir wissen ja, dass sich der Weltraum ausdehnt und dadurch die Wellenlänge des Lichts gestreckt wird. Die Lichtgeschwindigkeit bleibt ja konstant. Jetzt wird bei einer Gravitationswelle der Raum rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung in der einen Achse gestaucht, während er in der anderen Achse gestreckt wird. Diese Längenänderung will man mittels Laserinterferometer, wie Geo600, messen. Aber! Wenn der Raum gestreckt und gestaucht wird, müsste sich doch die Wellenlänge des Lichts entsprechend ändern, also die Anzahl Wellenberge und -täler konstant bleiben und keine Phasenverschiebung hervorrufen. Wie will man dann Gravitationswellen mittels Laserinterferomenter messen können?
Stellungnahme der Redaktion
Diese Frage wird öfters gestellt. Sie ist sehr berechtigt, denn die Funktion von Gravitationswellen-Detektoren ist keineswegs "anschaulich". Die Antwort liegt gewissermaßen in der Aussage, dass Raum und Zeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht nur "gekoppelt" sind, wie Herr Schubert es auf der Leserbriefseite von SuW 7/2012 ausdrückte, sondern mehr oder weniger identisch. Strikt relativistisch gesehen können räumliche Distanzen nämlich nur durch Zeitmessungen bestimmt werden, und zwar durch Lichtlaufzeiten. Wenn man also gemeinhin sagt, dass durch eine Gravitationswelle der Abstand zwischen den beiden Spiegeln in einem Gravitationswellenempfänger sich ändert, dann heißt das ganz strikt und ausschließlich: Die Lichtlaufzeit vom einen Spiegel zum anderen und wieder zurück ändert sich. Genau das - und nur das - kann man mit dem Interferenz-Detektor am einen Ende der Interferometerstrecke feststellen.
Und damit ist auch klargestellt, dass eine solche Änderung, wenn sie denn eintritt, messbar ist. Und zwar innerhalb des Systems, nicht von außen. Es ist dabei völlig gleichgültig, ob ein äußerer Beobachter diese Änderung als eine Änderung der räumlichen Anordnung der Spiegel, oder als eine Änderung des Zeitablaufs im System, oder als eine Frequenzänderung der Lichtwelle, oder als eine Mischung aus allen drei Effekten sehen würde. Das hängt letztlich nur von dem Koordinatensystem ab, das verschiedene Beobachter zur Beschreibung der Welle verwenden würden.
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Messen von Gravitationswellen mittels Laserinterferometer
08.06.2014, Walter Koschinski, DuisburgWir wissen ja, dass sich der Weltraum ausdehnt und dadurch die Wellenlänge des Lichts gestreckt wird. Die Lichtgeschwindigkeit bleibt ja konstant. Jetzt wird bei einer Gravitationswelle der Raum rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung in der einen Achse gestaucht, während er in der anderen Achse gestreckt wird. Diese Längenänderung will man mittels Laserinterferometer, wie Geo600, messen. Aber! Wenn der Raum gestreckt und gestaucht wird, müsste sich doch die Wellenlänge des Lichts entsprechend ändern, also die Anzahl Wellenberge und -täler konstant bleiben und keine Phasenverschiebung hervorrufen. Wie will man dann Gravitationswellen mittels Laserinterferomenter messen können?
Diese Frage wird öfters gestellt. Sie ist sehr berechtigt, denn die Funktion von Gravitationswellen-Detektoren ist keineswegs "anschaulich". Die Antwort liegt gewissermaßen in der Aussage, dass Raum und Zeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht nur "gekoppelt" sind, wie Herr Schubert es auf der Leserbriefseite von SuW 7/2012 ausdrückte, sondern mehr oder weniger identisch. Strikt relativistisch gesehen können räumliche Distanzen nämlich nur durch Zeitmessungen bestimmt werden, und zwar durch Lichtlaufzeiten. Wenn man also gemeinhin sagt, dass durch eine Gravitationswelle der Abstand zwischen den beiden Spiegeln in einem Gravitationswellenempfänger sich ändert, dann heißt das ganz strikt und ausschließlich: Die Lichtlaufzeit vom einen Spiegel zum anderen und wieder zurück ändert sich. Genau das - und nur das - kann man mit dem Interferenz-Detektor am einen Ende der Interferometerstrecke feststellen.
Und damit ist auch klargestellt, dass eine solche Änderung, wenn sie denn eintritt, messbar ist. Und zwar innerhalb des Systems, nicht von außen. Es ist dabei völlig gleichgültig, ob ein äußerer Beobachter diese Änderung als eine Änderung der räumlichen Anordnung der Spiegel, oder als eine Änderung des Zeitablaufs im System, oder als eine Frequenzänderung der Lichtwelle, oder als eine Mischung aus allen drei Effekten sehen würde. Das hängt letztlich nur von dem Koordinatensystem ab, das verschiedene Beobachter zur Beschreibung der Welle verwenden würden.