光在强激光脉冲激发的弯曲时空中传播的引力Faraday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青睐。由于引力过程及引力效应大多涉及大尺度空间和时间,受制于观测和实验的手段,广义相对论得到的直接来自于客观事实支持并不多.因此通过在地球实验室能实现的手段直接对广义相对论预言的引力效应进行检验将具有重大意义. 广义相对论和其他度规理论都预言电磁场产生引力场,使时空弯曲。近年来,高功率短脉冲技术得到了飞速的发展。目前,激光的输出功率已超过1.3×1016W,聚焦强度达1022W/cm2,并且已经可以产生0.2fs的光脉冲。因而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。 众所周知,电磁波在处于磁场中的介质中传播时其极化面会发生旋转,这种效应被称之为Faraday效应。根据Kerr场中广义协变Maxwell方程的解可以证明,光在引力场中传播时,将有类似于Faraday效应的引力效应产生,所以该引力效应叫做引力Faraday效应。我们的工作是在强激光产生引力场中讨论引力Faraday效应,目的是探索一条在地球实验室中观测引力效应的途径,从而为广义相对论的检验提供依据。 本工作的基本理论框架是广义相对论理论。主要的工作包括以下两个方面:(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,推导出了光的波矢量和极化矢量的传播方程;在此基础上,研究了在强激光脉冲产生的引力场中传播的探针脉冲的引力Faraday效应,解析得出了电磁波极化面的旋转角,并在目前可能达到的实验条件下对结果进行了估算。为在地球实验室中模拟引力效应的研究提供了参考数据。
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