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高频引力波在电磁环形腔和Tokamak焦点区域的时空扰动效应

丁亮  
【摘要】: 引力波是爱因斯坦的广义相对论的重大预言(1916年)。在上世纪50—60年代,由于理论上一系列重大问题的解决,引力波的存在已经得到物理学界的共识,但是至今除了PSR1913+16引力辐射阻尼的观测提供了引力波存在的间接证据外,实验的直接探测并没有实质性的突破。科学界的共识是,一旦人们能够直接探测到引力波,它对自然科学甚至人类文明巨大的推动作用将开启一个崭新的“引力波信息时代”,其科学价值和意义将是十分巨大的。近年来,国际上部分著名科学家和实验物理学家开始考虑突破传统的研究方案及模式,并期望在高频引力波研究和探测上取得突破。 本文首先对引力理论的发展作了概述,介绍了牛顿引力理论的形成和成就,面临的困难以及爱因斯坦的广义相对论的建立及实验验证。在第二章中,介绍了引力辐射,主要是对引力场的线性化求解,即弱场近似作了介绍。其中还介绍了天体引力波波源和现在低频引力波的探测现状。在第三章中,主要介绍了目前可能潜在的高频引力波波源和目前国际上探测高频引力波的主流方案。在第四章中,详细计算了在电磁环形腔焦点区域的曲率标量和引力驻波的能量密度,讨论曲率标量和引力驻波的能量密度的关系。 本文首先讨论了地球上受控核聚变的Tokamak装置的引力辐射的大小,通过估算,发现通过这样的系统来产生引力辐射是太小,在目前实验条件下尚不具备可供观测的效应。 其次详细计算了电磁环形腔焦点区域的引力场hμν和在电磁环形腔焦点区域时空几何结构的物理量:第二类克氏联络,黎曼曲率张量,里奇张量和曲率标量。还有计算了在弱场条件近似下引力驻波的能量密度,并给出曲率标量R和能量密度平面的数值计算。其中结论如下:(1)在焦点区域时空是弯曲的,其引力驻波的能量密度具有正定性;(2)曲率标量和引力驻波场的能量密度随径向坐标r的增大而迅速衰减,即在焦点位置曲率标量和引力驻波场的能量密度为最大值;(3)虽然现今的技术参量表明其引力驻波的振幅太小而不具备可观察的意义,但对今后用高能环形装置(如高能环形微波腔,受控核聚变的Tokamak装置)作为可能的潜在高频引力波源具有前瞻性的意义。


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