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…     

《从零学相对论》连载(22)

正8.5.3牛顿引力论对星光偏角的推导[选读]索尔德纳在1801年推导星光偏角公式时,光速的有限性已被证实.只要承认光的微粒说并默认光微粒(即现在的光子)在引力场中的表现与普通质点的唯一不同就是以光速运动,就不难用牛顿引力论推出偏角公式.此式的推导方法很多,现在介绍一种"借他山之石"的简便方法.首先考虑质量为m的普通质点在太阳附近飞过时因受太阳引力而出现的偏角.这种情况与卢瑟福1911年研究的α粒子散射类似,因此可以借用其     

宇宙中不可视物质与引力透镜

１９１６年爱因斯坦在他的《广义相对论》中关于光线会在大质量天体的引力场内弯曲的预言被１９１９年的实验观测所证实．这次实验观测是在太阳发生全日蚀的条件下进行的,当时天文学家发现了靠近太阳盘边缘的星星图像比它们一般位置的图像亮一点．但那时很少有人想到,作为检验新引力理论（广义相对论）的这个精确效应的研究总将产生一种科学的方法论．３０年代,一位年轻的瑞士天文学家Ｆ．兹维基（Ｆ．Ｚｗｉｃｋｙ,１８９８－１９７４）提出了用这一效应估算星系总质量的理论,因为任何天体的引力都能够引起光线的偏移．Ｆ．兹维基的很…     

等效原理与双生子问题

爱因斯坦等效原理是广义相对论的基石,引力场的钟慢效应和引力红移效应是等效原理的两个基本推论;双生子问题属于狭义相对论的范畴.等效原理与双生子问题间的联系在相对论的教学中常被忽视.文章基于爱因斯坦等效原理,将匀加速系统与一个均匀引力场等效起来,详细地推导出引力场的钟慢效应,并证明了与之本质相同的引力红移效应;最后根据等效原理的这些基本推论在广义相对论框架下讨论了双生子问题,并用一个清晰的物理图像给出了双生子问题的广义相对论解释.     

遥远星体在太阳引力作用下形成的爱因斯坦环

当遥远星体,太阳以及观测者在一条直线上时,由于星光在太阳引力场中的偏折效应将形成爱因斯坦环.忽略太阳自转,其外部引力场可用史瓦西度规描述.运用椭圆积分严格地求出零测地线的精确解,并从精确解反解出观测者的径向坐标.从零测地线的精确解可计算出观测者与太阳的距离必须大于或等于547.7天文单位才能观测到星光在太阳引力作用下产生的爱因斯坦环,但是爱因斯坦环几乎和太阳边缘重叠在一起,目前的技术难以分辨.     

量子引力和弦论在中国

直到20世纪60年代,爱因斯坦的广义相对论一直是理论物理中理论色彩最浓的一个分支,那时广义相对论的主要实验验证是水星近日点进动、太阳引力场中的光线弯曲、引力红移。直到宇宙学和涉及强引力场的一些天体物理问题成为实验观测对象后,广义相对论才成为和其他物理理论（如粒子物理）类似的学科。与此同时,人们开始尝试将引力和量子力学结合起来,这就是著名的量子引力或引力量子化问题。     

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。     

爱因斯坦引力场Arnowitt-Deser-Misner约束方程的两种推导方法

给出两种不同方法,分别导出爱因斯坦引力理论中著名的Arnowitt-Deser-Misner(ADM)约束方程.其一是在具有洛伦兹号差的时空中,构造一个单参数引力场作用量,由此导出单参数ADM约束方程.该参数取某特定值时对应的就是熟知的ADM约束方程.其二是将二重复函数理论运用于爱因斯坦引力场的哈密顿形式表述中,得到引力场ADM约束的二重化形式,从而也能将通常的ADM约束作为其特殊情况包含其中.此外,这两种方法还能统一地表述具有不同时空号差(洛伦兹号差和欧几里得号差)的洛伦兹引力理论和欧几里得引力理论 关键词： Arnowitt-Deser-Misner约束方程 哈密顿表述 时空号差 引力场作用量     

激光用于引力波探测的研究──双激光光源法及同步积累法

一、引 言广义相对论的提出已有半个多世纪了.然而在过去相当长的一段时间内,对于它的观察检验,仅限于所谓三大验证.这是因为对于地球上的实验条件,广义相对论所预言的效应是极其微弱的.近来,由于科学技术的发展,给研究万有引力本质的实验工作提供了新的可能.在这类工作中,较为活跃的应当属于探测引力波的研究.1969年,韦伯宣布他测到来自银河系中心发出的引力波信号.由于引力辐射的存在是广义相对论具有决定性的预言,因此,他的工作引起了广泛的注意.尽管现在已倾向于判定韦伯收到的信号不是引力波,但却促使人们认识到了实验检验引力波理论的…     

引力透镜效应研究的历史与现状

在七十年代末,有文章报道说[1],在宇宙空间发现了一对极为相象的“孪生类星体”,发现者们认为,这极可能是六十多年来人们所谈论的“引力透镜效应”. 一、什么是引力透镜效应? 引力场能偏转光线传播的方向.在广义相对论中,有引力场存在的空间不再是平直空间,而是弯曲空间.光线在引力场中传播时偏转的角α=4GM/c2b.式中,G是引力常数,M是引力场源的质量,c是光速,b是光线离引力源最短的距离.对于掠过太阳表面的光线来讲,α=1.75角秒.从1919年以来,这个数值已多次为观测所证实.由此,引力场有可能使远处光源射来的光线会聚起来,起类似光学透镜的…     

关于"太阳在银河系中所受引力与到银心距离r的关系"的讨论

讨论了银道面内的引力场强分布和太阳在银河系中所受引力与到银心距离r的关系，指出引力场强g并不是与r的平方成反比，这是由于银河系的大小和形状不能忽略造成的．强调了万有引力定律的适用条件．     

范德瓦耳斯（Van der Waals，Johannes Diederik 1837-1923）荷兰物理学家（Physicist，Netherlands）

1873年范德瓦尔斯的论文《论液态和气态的连续性》首次引起人们的注意，并为此而获得了博士学位。他认识到假定气体分子体积为零，且分子之间不存在引力，则理想气体定律就能从气体运动论导出。但考虑到上述假定均不真实，1881年给这个定律引入表示分子的大小和引力两个参量，得出一个更准确的公式。由于这些参量对每一种气体都不同，他继续研究而得出一个对所有物质都适用的方程。     

引力波的昨天、今天和明天

正一、引力波的历史1.引力波的理论预言及其特性赫维赛德基于引力和电磁力都是平方反比力以及电磁波的物理特性早在1893年就提出了引力波的概念。庞加莱于1905年进一步指出了引力波以光速传播。1915年年底爱因斯坦给出了引力场所满足的相对论场方程—爱因斯坦场方程,并且于1916年对爱因斯坦场方程在平直时空背景下做线性近似,推导出了引力波所满足的波动方程及引力辐射的四极矩公式,     

线性引力论的引力磁分量及其磁效应

根据广义相对论,弱场近似条件下引力场中不仅含有经典的牛顿引力场,还存在一种类比于磁场概念的引力"磁"场,引力磁场的命名借用了电动力学中磁场的概念.为了研究引力磁场的物理性质和它引发的一些关联效应,本文首先从线性爱因斯坦方程出发,利用相似变换的方法从方程的二级张量场中分解出了引力的"磁"分量并定义了引力磁场;在此基础上考虑了一种通有匀速流体的环状微管模型,通过电动力学的分析方法研究了远离微管区域的引力磁场分布特征,重点在计算过程中改进了以往对这类环状模型引力磁场的计算方法,表明了这类模型的引力磁场远场分布模式与磁偶极子磁场的远场分布类似;之后利用类磁场的性质研究了引力磁场的动力学特征,首次研究了测试粒子在线性时变引力磁场及余弦时变引力磁场中的运动规律,同时通过设计一种具有双层结构且通有加速流动流体的环状微管模型改进了前人对时变引力磁场中引力感应、惯性系拖曳现象的研究办法,从更清晰的角度用更简单的数学通过引力电磁理论研究和展示了引力感应现象和广义相对论中的惯性系拖曳现象.全文为引力磁场及其关联效应的研究提供了一些新的方法和思路.     

整体单极子黑洞引力场中的加速效应

给出了含有整体单极子的黑洞的引力场中试验粒子加速度的表达式, 讨论了整体单极子对加速效应的贡献. 结果表明, 由于整体单极子的存在, 产生了斥力效应; 当速度趋近于光速时, 中性粒子在引力场中受到了斥力作用. 这是牛顿力学中所没有的.     

亨利,卡文迪什,约翰.冯.索尔特纳和光线的偏转

大约在1784年,亨利·卡文迪什就已经在牛顿理论和光的粒子模型的基础上计算了光线的引力偏转,但他从未发表过自己的这一计算.他比冯·索尔特纳 (Johann Georg von So-ldner)首次发表的计算几乎早20年.他们两人的结果略有差别,这是因为卡文迪什讨论从无限远处发射的光,而索尔特纳则讨论从引力物体表面发出的光.在第一级近似时,他们的结果相互一致,都是广义相对论所预言并由实验证实的数值的一半. 当提起引力物体引起光线偏转这一概念时,通常就会想到爱因斯坦的名字,因为他在1915年11月曾利用广义相对论计算并预言了现在为大家所公认为正确…     

关于光线的两种弯曲的讨论

本文讨论了光线在光学不均匀介质中的弯曲与在引力场中的弯曲在形式上的相似性,最后提出一个“光线的光学折射(弯曲)与引力弯曲的等价关系”,并且得到相应的证明。由此,进一步尝试建立上述两种效应都存在时光线的短程线方程。采取的方法是:仍以光线在引力场中的短程线方程为基础,但修正其中Christoffel符号T_(αβ)~r里所包含的四维时空的度规张量g_(αβ),修正后,让它们既能反映引力场,又能反映光线在光学不均匀介质中的弯曲。     

旋转物体的等效原理及其空间实验

文章回溯了等效原理的历史,解释了弱等效原理(伽利略等效原理)、强等效原理(爱因斯坦等效原理)和甚强等效原理.实验检验表明,到10-13的实验精度时,没有观测到等效原理的破坏.文章最后,也是文章的主要目的,阐述了广义相对论的不足,即不能描写物质的自旋与引力场的耦合.自旋粒子或自转物体的能一动张量既有对称分量,也有非对称的分量,还有自旋张量.但是广义相对论的引力场方程中只包含了能-动张量对称分量,不包含反对称分量,更没有自旋张量的贡献.涉及自旋与引力场耦合的理论是(有挠率场的)引力规范理论,该理论预言:自旋粒子或旋转物体将偏离测地运动,因而破坏等效原理.为了检验这种破坏,文章作者及其合作者建议进行地面实验和空间实验.     

半球之间的引力

两个不同半球沿对称轴方向(第1种情形)或者接触面分开(第2种情形),球心间的距离是h.在情形1中,计算得到了展开到h一次项的引力势能表达式.由这个引力势能的解析表达式,得到了两个半球间的引力表达式.在情形2中,计算得到了展开到h二次项的引力势能表达式.当大的半球固定时,小的半球作简谐振动,并给出了周期公式.以上的解析式得到了数值计算值的验证.