引力场的二分量理论和验证广义相对论的新实验

美国斯坦福大学以W.Fairbank为首的研究组,正在考虑验证广义相对论的极为精密的新实验. 从1915年爱因斯坦发表广义相对论以来,通过水星近日点的移动,光线在引力场中的折射及光谱线的红移等现象的观测,验证了广义相对论的正确性.但是,上述新实验是以最近提出的引力场二分量理论来验证广义相对论的一种新尝试. 众所周知,电磁场中有电场和磁场.与此相似,可认为引力场也由两个分量所构成.由于牛顿势和库仑势在形式上是相同的,因而牛顿势对应于电场势.根据牛顿引力理论,不存在对应于磁场的分量.而按上述理论,在广义相对论所讨论的引力场中必然存…     

关于矢量-张量引力相互作用模型

本文从粒子运动方程出发证明了矢量-张量引力模型中反引力的存在,这种反引力如果以长程力的形式出现,将使得粒子的运动偏离短程线。在牛顿近似和弱场近似下,相应于矢量场的反引力与相应于张量场的吸引力互相抵消,使得检验粒子在球对称静态引力场中的加速度为零,这显然与牛顿万有引力现象矛盾。 关键词：     

光子芯片中类比引力的研究

探索和理解引力场弯曲时空的本质一直是人类孜孜不倦追求的目标。尤其最近天文学上两大事件：激光干涉引力波天文台探测到引力波信号以及事件视界望远镜拍到黑洞的影子,进一步激发人类对古老而神秘引力的兴趣。尽管人类在探测引力现象的天文实验技术上取得了巨大的进步,但是对于有些引力现象的研究仍然面临着挑战,特别是与引力有关的量子效应。另一方面,类比引力系统为人类研究引力效应提供了一个新的实验平台,它可以在实验室环境下研究目前天文观测仍面临挑战的引力现象,例如黑洞附近引力场的量子效应。文章将介绍以光子芯片作为一种类比引力的实验体系而实现的引力场弯曲时空的模拟与研究。     

引力理论的场方程与自由粒子运动方程的一般形式

由物质场和引力场的较为广泛的拉氏函数密度及其在(ε^mn,ξ^μ)变换下的不变性出发,导出了引力场方程和自由粒子运动方程的一般形式。它们有着较为广泛的适用性。已表明广义相对论、ECSK理论及R+R²+T²型有挠引力理论等均可作为特殊情况纳入这个体系之中。 关键词：     

弄清电磁感应相关问题的四原则

在电磁感应现象中,总是同时存在相互关联的诸多因素,如磁生电与电生磁、原电流与感应电流、原磁场与感应磁场、原磁场力与感应磁场力、导线切割磁感线的外力与感应电流的安培力、回路总的感应电动势与局部感应电动势等等．如何建立正确的物理模型进行分析,哪是主要因素？哪是次要因素？     

引力波探测的现状和意义

 引力波是广义相对论的一个理论预言。1916年爱因斯坦创立广义相对论,揭示了一个全新的时空观念:时间和空间并非绝对和独立地存在,它们是相互联系的,由物质分布和运动所决定的属性。在时空中运动的物质,其轨迹由时空曲率决定。这种时空结构的几何化概念,对引力的本质提出全新的解释,是一种新的引力理论。一、引力波是变化着的4维时空曲率的传播物质的引力场是一种无需介质的广延场,与电磁场相类比:电荷的加速运动能辐射电磁波,那么,理论上物质的运动也辐射引力波。爱因斯坦在引力场方程的弱场近似解中得到平面引力波辐射的结论。近代其他引力理论也得出存在引力波的预言。     

《引力双生子》

我们都知道狭义相对论中的双生子佯谬,以及双生子中旅行者返回后总比他的孪生兄弟要年轻.但在引力场中此结论恰好相反,这个事实大家并不是都清楚。 若你设法静止于恒星表面,你会发现,同你远离恒星相比,静止于恒星表面时,时钟走得要慢.这个现象称为引力时间膨胀,它是爱因斯坦广义相对论.的论断,并且可以通过星光绕过太阳时的弯曲(在日食时观察),而间接观察到引力时间膨胀.若你不是静止而是运动,那么由于你的运动,还将存在一个附加的时钟变慢。 现在,我们设想一个实验,在实验中双生子都处在“自由下落”的状态,其中一个处于环绕恒星的圆轨道上…     

打压替代引力

正众所周知,爱因斯坦广义相对论描述万有引力,但一些试图替代相对论的引力理论也声称其合理性。不过,依据中子星并合时发出的引力波和电磁波观测,理论家们最近严格约束了这些替代引力。广义相对论(简称GR)非常成功地描述万有引力,覆盖行星、恒星、黑洞、星系等若干层次。GR预言宇宙的膨胀,但也有个短板:如何解释宇宙的加速膨胀。鉴于所有辐射、可见物质和暗物质等都施加向内"拽"的力,宇宙理应减速     

关于引力场的能量问题

本文讨论引力场中局部区域的能量问题。这里提出了一个新的引力场总能量-动量赝张量密度,它所表示的引力场局部空间区域中的能量对纯空间坐标变换是不变量,因而引力场的局部区域能量具有确定的物理意义。关于Schwarzschild场的能量和动量,新的赝张量给出的结果要比现有广义相对论文献中的其他形式的赝张量所给出的结果较为合理。文中还讨论了在引力理论中质量与能量的关系问题。 关键词：     

Poincaré引力规范场和1/2自旋粒子的运动

木文以Poinaré群作为引力规范群,在有挠率和曲率的空间中,讨论了当引力拉氏量包含场强的线性项与二次项时体系的运动方程,指出球对称真空静引力场方程在“宏观”极限下可以得到Schwarzchild解,因此它与目前关于广义相对论的实验验证是一致的,但在“微观”极限下,方程预示着一种新的短程作用,讨论了自旋1/2的粒子作为检测粒子在这种球对称真空静场中的运动,指出运动方程只与仿射联络的黎曼部分有关,并和广义相对论的相应方程具有同样的形式。 关键词：     

“荧光-1”装置上反场构形的优化设计

相较于传统的惯性约束聚变及磁约束聚变,磁化靶聚变技术可能是一种实现纯聚变更低廉更有效的途径。针对中国工程物理研究院流体物理研究所设计的"荧光-1"实验装置,利用二维磁流体力学模拟程序MPF-2D,从理论上详细分析了各实验输入参数(如初始磁场、初始密度、主磁场等)对该装置上反场构形性质的影响。为即将进行的实验推荐了三组实验输入参数:初始磁场0.3T,初始密度7×1015 cm-3,磁镜场-2.0~-1.0T,主磁场-4.0~-3.0T。     

引力改变了时空——从欧几里得空间到准黎曼空间

 爱因斯坦在1905年所建立的狭义相对论建立了高速运动下的时空变换,这种变换是局限在惯性系之间的,这正是“狭义”的涵义。作为狭义相对论的推广,爱因斯坦从1907年开始努力尝试将相对性理论推广到非惯性系。他在研究了引力场与加速系关系的基础上,于1916年在德国《物理学杂志》上以“广义相对论基础”为题正式发表了广义相对论。广义相对论的诞生进一步更新了我们对空间、宇宙的认识观念。从平直均匀的欧几里得3维空间,到闵可夫斯基的4维空间,再到弯曲的黎曼空间,独立于时间与物质的“绝对空间”概念被彻底地打破了。     

"引力"七问

1 引力是什么 牛顿在17世纪就认识到宇宙中任何地方的一切物体的引力作用方式是相同的,且两物体间的吸引力与它们的质量的乘积成比例,与它们距离的平方成反比,即著名的"引力的平方反比律."爱因斯坦在20世纪初发表的广义相对论是研究物质在空间和时间中如何进行引力相互作用的理论,它将平方反比律解释成时空因物质和能量的存在而发生畸变的结果,并把牛顿理论包含在内.     

星上剩磁对惯性传感器的影响

空间引力波探测对剩余加速度的要求极高,达到了10~(-15)ms~(-2)Hz~(-1/2)量级,然而在空间引力波探测时,惯性传感器所在位置的环境磁场会带来磁场力和洛伦兹力。为保证引力波的正常探测,必须将环境磁场及磁场梯度控制在一定范围内。本文主要针对星上剩磁对惯性传感器的影响,从星际磁场、卫星部件剩磁和时变磁场探测等几个方面探讨了剩磁与加速度之间的关系,也对卫星磁场源模拟以及磁场探测方法进行了讨论。结果表明,通过对磁场源位置和方向进行优化可以降低直流剩磁,通过弱磁探测装置对星际磁场和时变磁场进行实时监控以排除磁场噪声影响,对于得到高精度的引力波探测数据是必不可少的。本文研究说明实施星上剩磁对惯性传感器的影响分析是有必要的,并且可以发展一套卫星平台剩磁评估方案和弱磁探测方法。     

探求牛顿引力常数的精确值

引力在物理学中具有举足轻重的位置。对于初学者,这仅仅是一种不能用量子理论描述的基本相互作用。然而,引力的普遍理论——牛顿定律和爱因斯坦广义相对论——将空间与时间视为连续的经典物理量,这些理论在守恒量子基础上描述电磁力与核力。 另外, 与其他基本作用力相比,引力作用非常弱,仅仅当能量接近于Planck数量级1.22×10¹⁹ GeV时,引力作用才能够与其他作用相比。这一能量比目前大型强子对撞机所使用的能量大15 个数量级。这种不相匹配现象引起了人们对粒子物理标准模型的质疑。因而,应当对引力进行比其他相互作用力更加精密的测量。     

科学家们在星系团的尺度上证实了红移效应

 检验引力现象很简单：通过二楼的窗子走出去(禁止付诸实践),看看会发生什么！但是要想检验爱因斯坦的引力理论--广义相对论,难度就要大得多。该理论的内容是：一个物体的引力会使其周围的空间和时间扭曲。尽管研究人员在太阳系的尺度上证明了广义相对论,但是在整个宇宙的尺度上验证该理论是更具挑战性的。
哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的拉德克·沃杰塔克(Radek Wojtak)带领一组研究人员着手检验广义相对论的一个经典预测：光在逃离引力场的时候会损失能量,引力场越强,光损失的能量就越多。结果,从一个星系团中心散发出来的光子应该比星系团边缘的光子损失的能量更多,因为星系团中心区的引力最强。星系团是包含了成千上万个星系的大型天体系统。因此在波长上,来自星系团中心的光比来自边缘的光更长,移向光谱的红端。这个效应被称为引力红移现象。
沃杰塔克及同事知道,测量单个星系内的引力红移会很困难,因为星系内引力红移效应非常小,而且需要将这种红移效应跟个体星系的轨道速度以及宇宙膨胀造成的红移效应分离开来。研究人员从斯隆数字巡天计划中搜集了8000 个星系团的数据,他们通过平均这些数据处理了这个问题。“这样做是希望通过研究星系团中星系之间的红移分布特点来发现引力红移效应,而不是分别查看各个星系的红移效应,”沃杰塔克解释说。
果然,研究人员发现正像广义相对论预测的那样,星系团中的光发生了红移,而且与到星系团中心的距离成比例。“我们可以测量出星系之间红移效应的微小差别,可以看得出来自星系团中心区星系的光不得不爬出那里的引力场,而来自边缘星系中的光可以较为轻松地散发出来,”沃杰塔克说。2011 年9 月28 日,这些发现发布在《自然》(Nature)杂志在线版上。
除了证实广义相对论之外,这些研究结果也有力地说明了拉姆达冷暗物质宇宙模型。这个已经流行于世的宇宙学模型表明宇宙的大部分是由不可见物质构成的,这种物质与构成恒星和行星的普通物质不发生相互作用。这项检验结果也支持暗能量的存在,暗能量是似乎正在使宇宙膨胀的一种神秘力量。     

标量-张量的Ⅲ型引力波

本文研究标量-张量引力辐射,并给出外尔(Weyl)张量为Ⅲ型、N型、O型的引力辐射的全部精确解. Dirac[1]认为万有引力常数不是真正的常数.Jordan[2]曾经引进-标量场以便在广义相对论的理论体系下实现 Dirac的观点.Brans-Dicke[3]建立了满足广义协变下守恒的标量-张量的引力场方程.根据这一理论,对所谓三大验证皆与广义相对论的引力理论一样在误差范围内符合.而据Dicke-Goldenberg[4]所作的关于太阳扁率的实验,其结果他们认为更有利于标量-张量理论.最近,Weber[5]还通过引力波的实验试图来比较两种理论的优劣.本文是从理论上分析标量-张量…     

带电螺线管磁场的数值研究

从毕奥-萨伐尔的基本定律出发,引入有效半径、有效空间位置和有效空间取向等概念,通过比较电流环和磁偶极场的远场近似计算与严格的带电螺线管磁场的计算结果,采用优化螺线管结构和构建计算模型,可以有效地克服螺线管本身带来的空间磁场有限长度效应.在有效空间范围内进行数值模拟的结果表明,磁偶极场的远场近似不仅可以满足磁场计算的精度要求,而且具有极高的计算速度.可以实时地实现具有多带电螺线管复杂结构的电磁计算,满足电磁空间定位和电磁导航的要求.     

两维量子引力中的一种可解模型

通过标量物质场的引入研究了两维量子引力中波函数的可解性,并考虑了两维超引力模型中的类似问题.     

“荧光-1”装置上反场构形的优化设计

相较于传统的惯性约束聚变及磁约束聚变,磁化靶聚变技术可能是一种实现纯聚变更低廉更有效的途径。针对中国工程物理研究院流体物理研究所设计的荧光-1实验装置,利用二维磁流体力学模拟程序MPF-2D,从理论上详细分析了各实验输入参数（如初始磁场、初始密度、主磁场等）对该装置上反场构形性质的影响。为即将进行的实验推荐了三组实验输入参数：初始磁场0.3 T,初始密度71015 cm-3,磁镜场-2.0~-1.0 T,主磁场-4.0~-3.0 T。