En teoría, ¿podrían utilizarse las ondas gravitacionales para fabricar un "láser gravitacional"?

Question

Las fuentes que he leído comparan las ondas gravitacionales con las electromagnéticas. Tengo curiosidad por saber hasta qué punto esto es así. En teoría, ¿podría aprovecharse la gravedad de forma similar a como hemos utilizado la radiación electromagnética, como en los láseres?

Si es así: ¿qué diferencias tendría con un láser normal?

Si no es así: ¿Qué diferencia las ondas gravitacionales de las electromagnéticas para que esto sea teóricamente imposible?

Answer 1

La generación de luz láser está íntimamente relacionada con los procesos que generan fotones individuales. Hasta la fecha, no se han detectado ondas gravitacionales, y no se conocen procesos que produzcan gravitones individuales (por no mencionar que no hay pruebas directas de que el campo gravitacional esté cuantificado en absoluto, sólo argumentos lógicos basados en la estructura de la relatividad general y la mecánica cuántica extrapolados al régimen correspondiente).

Dado que no se conoce ningún proceso que produzca gravitones simples, no se conoce ningún medio por el que se pueda producir un láser de ondas gravitacionales.

EDIT: Estoy de acuerdo con la respuesta de anna v y el comentario de John Rennie, y no había pensado en los láseres de electrones libres cuando escribí esto. Se necesitarían planetas relativistas o algo así, pero no sería imposible.

Answer 2

Pensé que las respuestas de que no puede haber emisión estimulada de estados gravitacionales excitados son correctas, ya que no hay estados ligados discretos con el potencial gravitacional,pero mientras exploraba la sugerencia de John de si se podría hacer un láser de gravedad libre en analogía con un láser de electrones libres He encontrado lo siguiente :

ESTADOS CUÁNTICOS DE LOS NEUTRONES EN EL CAMPO GRAVITATORIO DE LA TIERRA : ESTADO DEL ARTE, APLICACIONES, PERSPECTIVAS

Si uno repasa el artículo, no es un asunto sencillo. Un estado ligado de un neutrón con toda la tierra no es algo con lo que se pueda construir una población invertida para crear un láser. Así que habría que matizar el no: los seres que pudieran experimentar con conjuntos de tierras podrían ser capaces de crear poblaciones invertidas.

Pasando al análogo gravitacional de un láser de electrones libres creo que tendríamos el mismo problema. La constante gravitacional es muy pequeña, y es necesario utilizar un candidato neutro para que el efecto no sea enmascarado por los cambios electromagnéticos, que no se ve cómo se podría intentar un ondulador con fuerzas gravitacionales solamente.

Representación esquemática de un ondulador, en el núcleo de un láser de electrones libres.

El esquema, debido a los cambios de aceleración, podría irradiar ondas gravitacionales coherentes incluso mientras trabaja con los electrones cargados, pero debido a la pequeñez de la constante gravitacional éstas serían muy débiles y, en mi opinión, indetectables.

Por supuesto todo lo anterior con la suposición de que la gravedad se cuantifica de la misma manera que las otras tres fuerzas.

Answer 3

La clave para que los láseres funcionen es el concepto de "emisión estimulada". Cuando se produce una inversión de la población -un mayor número de átomos/moléculas en un estado excitado que en el correspondiente estado básico- se puede aprovechar su energía mediante la emisión estimulada. Cuando un átomo/molécula de este tipo se excita con un fotón con la energía correspondiente a la transición, emite un fotón que está perfectamente en fase con el fotón incidente.

De esta manera se obtienen dos fotones que están en fase, y que viajan en la misma dirección. Este mecanismo da como resultado una hermosa amplificación, y un haz de luz coherente.

No existe ningún análogo (que yo conozca) para la emisión estimulada de ondas gravitacionales, por lo que un GASER (amplificación de la gravedad por emisión estimulada de radiación) es fundamentalmente imposible, AFAIK. Fundamentalmente, un sistema masivo (potencial emisor de ondas gravitacionales) no puede estar en un estado "excitado" desde el que sea posible la emisión por excitación con otra onda gravitacional.

Answer 4

El principio físico del láser es la emisión estimulada. Esta es la parte fácil. Existe un análogo cercano de la emisión estimulada en la relatividad general, un fenómeno conocido como Superradiancia . En pocas palabras, si tienes un agujero negro en rotación y emites ondas gravitacionales en él con los parámetros adecuados, puedes sacar más ondas gravitacionales. El agujero negro pierde momento angular para alimentar la energía necesaria para producir la amplificación de las ondas gravitacionales. Esto no es más que la contrapartida ondulatoria de un Proceso de Penrose . Desde un punto de vista muy heurístico, la superradiancia en un agujero negro es a la emisión estimulada lo que la radiación Hawking es a la emisión espontánea. Además de en los agujeros negros, se ha teorizado que la superradiancia también se produce en las estrellas de neutrones que giran rápidamente.

Así que se sabe teóricamente que hay sistemas gravitacionales que sí exhiben amplificación de las ondas gravitacionales, sin depender de la inversión de la población o cosas así.

Pero un láser no es sólo la amplificación de las ondas, es un dispositivo que opera con este mecanismo de forma estable para producir luz coherente. Y aquí es donde teóricamente muere el "láser gravitacional". En un láser convencional se necesita una cavidad que a) proporcione un mecanismo de retroalimentación para que el dispositivo sea estable (es decir, que no deje de funcionar porque la población pase al estado de masa) y b) seleccione una determinada longitud de onda para producir la luz coherente. Y, como es bien sabido, dado que la gravedad se acopla a todo, no existe una cavidad gravitacional, ni un espejo para las ondas gravitacionales.

En resumen, debería ser posible producir ondas gravitacionales de la frecuencia deseada, y es posible amplificar las ondas, el problema es que no se puede construir un dispositivo estable. Esto abarca la arquitectura habitual de los láseres, aunque no puede descartar el diseño del láser de electrones libres, ya que prescinde de una cavidad. La cuestión sería diseñar el equivalente a un wiggler cuadrupolar, del que no tengo ni idea de cómo funcionaría, pero no parece que esté teóricamente descartado

Answer 5

Lo único que puedo imaginar que puede funcionar en teoría, es aprovechando la mezcla de gravitones y fotones en un campo electromagnético externo, ver aquí . A continuación, se produce luz láser ordinaria y ésta se convierte parcialmente en radiación gravitacional coherente. Esto es análogo a la Efecto Primakoff donde los fotones podrían convertirse en hipotéticos axiones en un campo externo. Se están llevando a cabo los llamados "experimentos de luz que atraviesa paredes", en los que los experimentadores dejan que la luz láser se mueva a través de un fuerte campo magnético, la hacen brillar en una pared y luego intentan detectar axiones al otro lado de la pared aplicando un fuerte campo magnético que convertiría los axiones de nuevo en fotones. A continuación, se aprovecha el hecho de que estos fotones estarían en coherencia precisa con la luz láser del otro lado de la pared para establecer fuertes límites en las propiedades de los axiones.