Wie unterscheidet sich das Ausbreitungsverhalten einer Gravitationswelle vom Ausbreitungsverhalten einer Lichtwelle?

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4 Antworten

Erstmal vorweg: nicht jede beschleunigte Masse erzeugt Gravitationswellen. Wenn du dir das Birkhoff-Theorem anschaust, siehst du, dass eine spärisch-symmetrisch oszillierende Massenverteilung keine GW erzeugt. 

Nun, ich denke, man muss zuerst gucken, was die einzelnen Bereiche überhaupt aussagen: 

In der klassischen Elektrodynamik sind elektromagnetische Wellen "ein magnetisches und elektrisches Feld, welches sich senkrecht aufeinander befinden und sich gemäß den Maxwell-Gleichungen verhalten. Die Wellenmechanik von Schrödinger kann man bei klassischen Wellen (bsp. 1-D , 2-D, 3-D Wellengleichungen) oder halt in der Quantenmechanik in Form der (relativistischen) Schrödingergleichung verwenden.

Nun ist es aber in der Relativitätstheorie ganz anders: Dort sind zwar die Gravitationswellen in deren Existenz und Erzeugung zum Elektromagnetismus analog, jedoch gibt es keine eigene Wellengleichung. Dem ist tatsächlich so. Die (ziemlich unexakte) Beschreibung erfolgt mittels der Einsteinschen Feldgleichungen (da GW ja Fluktuationen im metrischen Tensor sind). 

(Nicht nur)Daraus folgt, dass das Verhalten von GW erstmal nicht mit Elektromagnetischer Strahlung gleichgesetzt werden kann. Vor allem, da es sich ja auch um unterschiedliche Strahlungstypen handelt (Dipol-und Quadrupolstrahlung ).

Wenn sich eine Gravitationswelle im Raum ausbreitet, hat dies auch andere Auswirkungen, als wenn es GW tun. Wie ich ja eben schon erwähnte, sind GW Fluktuationen im metrischen Tensor der Raumzeit, also ist deren Bewegung nur durch die Raumzeit selbst definiert, nicht von Objekten in der Raumzeit. Eine EMW ist eine Welle, welche sich im Raum bewegt und daher auch mit dortigen Objekten wechselwirkt. 

Kurz gesagt: Die GW ist eine Welle DER Raumzeit und die EMW ist eine Welle IN DER Raumzeit. 

Die Effwkte einer GW sind das Stauche  und Strecken raumartiger Größen. Das heißt, wenn eine GW auf einen Ring trifft, wird dieser sich kurz zusammenstauchen und sich danach wieder in die Ursprungsform begeben. 

Ein wirkliches "Hindernis" gibt es dort nicht in der Form wie im EM. So hat sich die zweite Frage erledigt. Die dritte bleibt noch teilweise aus: 

Was passiert, wenn zwei GW aufeinander treffen ? 

In diesem Fall kann ich nur spekulieren. Da es ja im Falle der GW keine Wellengleichungen gibt, kann man es wohl nicht genau berechnen, vermutlich aber verhält es sich in diesem Falle ähnlich wie bei EMW oder der normalen Wellenmechanik.Also dass sie sich auslöschen, verstärken, interferieren, usw. Das weiß ich aber nicht. 

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Kommentar von Astroknoedel2
01.07.2016, 15:21

Edit: Somit ist auch die Frage, ob große Massen GW bremsen oder nicht, reine Spekulation.

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Kommentar von grtgrt
04.07.2016, 20:51

Danke für den Hinweis auf Birkhoffs Theorem - daran hätte ich nun wirklich nicht gedacht.

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Wenn mich nicht alles täuscht, sind das die Fragen nach der Qualität, die jetzt geklärt werden sollen, nachdem GW das erste mal gemessen werden konnten.

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1) was hat das mit der Frage zu tun? Wir haben keine Theorie einer Quantengravitation.

2) ist das Selbe. Du hast genauso Interferenz, Beugung etc.

3) Hindernisse sind große Massen. Nein, Sterne sind keine Wellen

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(1) im prinzip nicht recht viel anders als klassisch. wenn man von lichtwellen spricht, dann sollte man sowieso klassisch rechenen. wozu die quantenmechanik bemühen wenn die klassiche elektrodynamik hervorragende ergebnisse liefert?

aber auch für einzelne photonen ist nicht recht viel anders. denn die wahrscheinlichkeitsamplituden gehorchen den selben wellengesetzen wie klassiche elektromagnetische wellen, und dadurch ergeben sich phänomene wie reflexion und brechung ebenso aus dem Heuygensschen prinzip wie bei klassichen wellen.

(2) ich vermute(!!!) sie sind zumindest sehr ähnlich. denn auch wenn gravitationswellen nicht dasselbe sind wie elektromagnetische wellen, so wird auch hier das Heugynsche prinzip gelten (gravitationswellen regen massen zum schwingen an, schwingende massen erzeugen gravitationswellen).

(3)  große massen werden gravitationswellen vermutlich ablenken/streuen können.

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Kommentar von grtgrt
01.07.2016, 14:38

Zu (3): Glaubst du nicht, dass große Massen ankommende Gravitationswellen eher dämpfen (statt ablenken und streuen) werden?

Was da ankommt ist ja wohl ein Wellenpaket. Berücksichtigt man, dass die einzelne Wellen darin jeweils nur ganz oder gar nicht mit der Masse verschmelzen können, würde ich mal meinen, dass einige dieser Wellen ihre Energie an die Masse abgeben, so dass das Wellenpaket als Ganzes etwas reduziert wird (sich also leicht abschwächt und so wohl auch etwas weniger ausgeprägte Form bekommt).

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Kommentar von grtgrt
01.07.2016, 15:00

Zu (1): Wenn man von ganzen Wellenpaketen spricht, hast du sicher recht. 

Mir aber liegt an einer Antwort auf Frage (1) für den Fall, dass da keine Paket von Wellen, sondern wirklich nur eine einzige Welle ankommt. Sie ist dann atomare Energieportion, kann vom Spiegel also doch wohl nur komplett verschluckt oder völlig unangetastet werden. Ganz so einfach aber kann es nicht sein, wenn man daran denkt, dass man ja auch einzelne Photonen durch gewundene Glasfasern schicken kann und die dann ja auch an der Wand der Glasfaser reflektiert werden.

Da ein einzelnes Photon nun aber doch nur mit einem einzigen Elementarteilchen im Spiegel bzw. in der Glasfaser reagieren kann (aber nicht wie ein Wellenpaket mit einem größeren Teil davon), stellt sich mir halt die Frage (1).

Nebenbei: Das Photon in ganz bestimmte, vorhersagbare Richtung spiegeln kann ja wohl nicht ein einziges Elementarteilchen im Spiegel, sondern nur ein makroskopischer Teil des Spiegels.

Wie also funktioniert Spiegelung einzelner Photonen erklärt in quantenmechanischen Reaktionen?

Anders gefragt: Gibt es das Huygens-Prinzip überhaupt für den Fall eines einzelnen ankommenden Atoms?

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