球?qū)ΨQ質(zhì)量外部區(qū)域和引力波場中電磁場的能量動量張量.pdf

1、利用引力波的潮汐效應(yīng)，理論上可以對引力波進(jìn)行探測。最早的引力波探測方法是共振質(zhì)量法，其典型代表是Weber棒。伴隨高質(zhì)量相干激光光源的發(fā)明而出現(xiàn)的引力波光學(xué)探測方法，其實(shí)質(zhì)仍然是質(zhì)量共振原理，比如LIGO、VIRGO和LISA。但它們的工作頻率范圍僅僅在～10-7-104Hz，在100Hz附近，LIGO和VIRGO預(yù)期的靈敏度是10-22-10-23/Hz。對于頻率大于或遠(yuǎn)大于104Hz的引力波，傳統(tǒng)的質(zhì)量共振探測法就不適用了。

2、 高頻引力波(～104-1013Hz，特別是微波頻段的高頻引力波)可以利用電磁方法進(jìn)行探測。其理論依據(jù)是：根據(jù)廣義相對論，引力波的傳播速度與電磁波相同均為c，因此它們之間可望實(shí)現(xiàn)理想的相干效應(yīng)，引力波電磁響應(yīng)最理想的狀態(tài)是電磁場與引力波的諧振。其實(shí)踐意義為：除普通的天體引力波源外，強(qiáng)電磁振蕩系統(tǒng)、高能粒子束、高溫等離子體和晶體陣列等都能產(chǎn)生高頻引力波，理論上估計(jì)其頻率可以達(dá)到108Hz甚至更高，頻率如此高的引力波是不能通過傳統(tǒng)的方法進(jìn)行

3、探測的；當(dāng)前為精質(zhì)暴脹模型QIM(QuintessentialInflationaryModels)所預(yù)期的遺跡引力波，其最大信號和峰值很可能位于GHz頻段，這恰好是電磁響應(yīng)的最好頻段；目前相關(guān)技術(shù)比如高品質(zhì)因數(shù)超導(dǎo)諧振腔、壓縮量子態(tài)、量子無破損檢測、超強(qiáng)激光物理、高能實(shí)驗(yàn)室天體物理等的發(fā)展，為引力波的電磁探測提供了技術(shù)上的可能。 本文在廣義相對論和彎曲時(shí)空電動力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，對電磁場的能量動量張量(包括能量密度、能流密度以及

4、動量密度和動量流密度等)進(jìn)行了深入的分析，將結(jié)果與平直時(shí)空的經(jīng)典對應(yīng)結(jié)論作了比較，為引力波電磁響應(yīng)和其它相關(guān)的天文觀測提供了一些新的論點(diǎn)和依據(jù)。 本文首先對引力理論的發(fā)展作了簡要的概述，并對高頻引力波源及高頻引力波與電磁場的相互作用作了回顧。然后重點(diǎn)研究了球?qū)ΨQ靜態(tài)引力場、雙極化態(tài)弱平面引力波及圓柱形電磁諧振腔中的高頻引力駐波中電磁場的能量動量張量，通過與平直時(shí)空的對應(yīng)結(jié)論作比較，得到了引力波(場)對電磁場能量動量張量的影響。最

5、后利用數(shù)值計(jì)算方法，對結(jié)論進(jìn)行了定量研究，其結(jié)果對引力波電磁響應(yīng)進(jìn)一步的理論研究和實(shí)驗(yàn)觀測均具有重要的意義。 本文所得的成果主要有以下幾點(diǎn)：①計(jì)算并討論了球?qū)ΨQ靜態(tài)引力場中電磁場能量動量張量。本文以球?qū)ΨQ靜態(tài)引力場為基本時(shí)空，研究了荷電球?qū)ΨQ質(zhì)量外部的電磁場能量動量張量、浸入均勻磁場中的球?qū)ΨQ質(zhì)量外部的電磁場能量動量張量以及具有磁矩的球?qū)ΨQ質(zhì)量外部區(qū)域的電磁場能量動量張量，希望研究結(jié)果對宇宙中某些星體(比如中子星、黑洞等)的性質(zhì)

6、有進(jìn)一步的揭示，從而為相應(yīng)的天文觀測提供可能的新觀測效應(yīng)。 ②重點(diǎn)討論了靜磁場中雙極化態(tài)弱平面引力波對高斯束的擾動效應(yīng)。得出了引力波對電磁場能量動量張量的一階和二階擾動，并對擾動能量(一階和二階)、擾動能流(一階)給出了數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明：在目前實(shí)驗(yàn)室的典型尺度和條件下，雖然引力波對整個(gè)電磁系統(tǒng)能量擾動的凈增量極其微小，但卻可以在電磁系統(tǒng)的局部區(qū)域引起電磁波物理行為(如傳播方向、極化狀態(tài)、分布和相位等)的變化，這對于顯示極弱引力