强激光引起的若干引力效应

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作为引力和天体物理研究的理论基础,广义相对论在逻辑上的严谨和数学上的优美得到了广大理论工作者的青睐.不过,由于引力过程及引力效应大多涉及大尺度的空间与时间,因此受制于实验和观测的条件,广义相对论得到的直接来自于客观事实的支持并不多.所以通过在地球实验室中能实现的手段直接对广义相对论所预言的引力效应进行检验将具有重大的意义. 近年来,随着高功率超短脉冲激光技术的飞速发展,为在地球实验室中验证广义相对论效应提供了一种新的可能性.目前,激光的输出功率已超过1.3×10<16>W,聚焦强度达lo<22>W/cm<2>,所产生的光脉冲宽度可至fS量级.如此之高的能量密度是足可以是脉冲周围的时空发生弯曲,产生一个局部的引力场,因此探索在强激光脉冲产生的引力场中的引力效应和检测方法引起了越来越多的人的兴趣. 自从Berry于1984年提出了整体几何相位以来,量子系统的几何相位问题就一直是物理学界研究的热点.同时,也有许多人将目光移至引力场,讨论了在各种不同的引力场中的Berry相位问题. 本文的主要研究内容是将量子体系中的Berry相位与由强激光脉冲所引起的引力场相结合,得到了由强激光脉冲所引起的引力场对于探针脉冲光(弱电磁场)的Berry相位修正;此外,在本文中,也讨论了在这种背景下的探针脉冲光的引力Faraday效应、光强的变化和频率的引力红移现象. 本文的基本理论框架是广义相对论和引力下的Maxwell电磁理论.主要的内容包括以下三个方面: (1)根据弱场近似下的线性Einstein场方程,求出了强激光脉冲产生的引力场. (2)通过引力场中的Maxwell方程,运用几何光学近似,得到了光子在由强激光脉冲所引起的引力场中的Hamilton,在此基础上,研究并得到了探针脉冲光的引力Berry相位修正的表达式.此外,还得出了探针脉冲光在这种引力背景下的引力Faraday效应、光强的变化和频率的引力红移现象的解析表达式. (3)本文最后,对以上的结论作了数值分析,并对比了相关的一些工作,为在地球实验室中模拟广义相对论引力效应和强光自引力系统的计算方面提供了参考依据.
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