Einstein引力理論在激光—等離子體相互作用中的應(yīng)用.pdf

1、遵循Einstein相互作用幾何化的思想，在廣義相對論理論框架研究了光場-等離子體相互作用各種過程。論文分為三個部分。 第一部分應(yīng)用光與運動介質(zhì)相互作用的有效度規(guī)理論研究了三個不同的光與等離子體相互作用的系統(tǒng)：首先研究了激光脈沖尾隨由強激光激發(fā)的電子等離子體波時所獲得的加速；其次研究多光子電離過程中，激光-等離子體相互作用如何影響多光子電離率；最后研究了脈沖星表面磁層中的磁化等離子體與在其間產(chǎn)生并傳播的射電輻射的相互作用修正了射

2、電輻射譜的引力紅移。 第二部分首次建立了光在運動的色散介質(zhì)中有效度規(guī)模型，將類Einstein引力理論(即有效度規(guī)理論)從非色散介質(zhì)推廣至色散介質(zhì)領(lǐng)域。其中包括三個內(nèi)容：首先建立了光與運動的色散介質(zhì)相互作用的有效度規(guī)模型，研究了光與色散介質(zhì)相互作用中形成的電磁視界、電磁黑洞和Hawking輻射；其次研究了激光-等離子體相互作用過程中等離子體電子如何將電磁場經(jīng)驗為有效幾何，將電磁場-荷電粒子系統(tǒng)之間的相互作用等效為等離子體電子所經(jīng)

3、驗的有效度規(guī)場，并研究了電子的動力學(xué)方程；最后研究了荷電粒子處在引力和電磁場共同作用下的統(tǒng)一的有效度規(guī)描述，并研究了相應(yīng)的荷電粒子動力學(xué)方程。 第三部分研究了強激光超短脈沖產(chǎn)生的定域、瞬時引力而誘導(dǎo)的時空彎曲效應(yīng)。通過探針脈沖與強激光脈沖同步傳輸，來測量引力效應(yīng)。研究了探針光極化面Faraday旋轉(zhuǎn)、探針光散射和光子的Berry相等彎曲時空的效應(yīng)。 本文的主要創(chuàng)新性研究結(jié)果歸結(jié)為以下幾點： 1.首次研究并建立了光

4、與運動的色散介質(zhì)相互作用的類引力模型。得出了光在色散介質(zhì)中的傳播等效于光在有效時空中同時經(jīng)驗度規(guī)場及有效勢作用的結(jié)論。并發(fā)現(xiàn)由于色散效應(yīng)光子獲得了有效質(zhì)量和有效電荷。 2.發(fā)現(xiàn)了類似于引力時空中的黑洞結(jié)構(gòu)-電磁黑洞，并導(dǎo)出了相應(yīng)的視界產(chǎn)生條件。研究了電磁黑洞的Hawking輻射，導(dǎo)出了相應(yīng)的表面引力和Hawking溫度。 3.首次將Gordon有效度規(guī)從非色散的電介質(zhì)推廣至高度色散的等離子體介質(zhì)。研究了強激光脈沖激發(fā)等離

5、子體波，利用相對論性二流體理論導(dǎo)出了強激光束激發(fā)的等離子體擾動。在有效度規(guī)理論的框架下導(dǎo)出了探針脈沖在等離子體波背景下的運動方程(光子非線性運動方程)，解析得到了一維和三維下的非線性解，給出了相應(yīng)的光子頻移解析表達和最大頻移值。 4.利用強激光脈沖瞬間超強能量密度而產(chǎn)生的時空彎曲，來觀測探針脈沖光在此時空中傳播時由于彎曲時空而發(fā)生的光的電矢量振動面的旋轉(zhuǎn)，即引力Faraday效應(yīng)。通過求解弱場近似下的線性Einstein場方程，

6、得到了強激光脈沖產(chǎn)生的引力場解析解；解析得到了光在強激光產(chǎn)生的引力場傳播過程中極化面的旋轉(zhuǎn)角，光強度的變化率以及由于彎曲時空效應(yīng)光子獲得的Berry相。 5.提出了以激光場為背景的等離子體中電子所經(jīng)驗的有效度規(guī)，即將電磁場-荷電粒子系統(tǒng)之間的相互作用等效為等離子體電子所經(jīng)驗的有效度規(guī)場。與光在等離子體介質(zhì)中的有效度規(guī)結(jié)合形成統(tǒng)一的激光-等離子體相互作用的有效度規(guī)理論。 6.提出一個描述受引力和電磁力共同作用的荷電粒子的廣

7、義度規(guī)。該廣義度規(guī)屬于一類非Riemann的更廣義的Finsler幾何。研究表明在引力和電磁力共同作用下荷電粒子服從由廣義度規(guī)決定的廣義物理時空中的測地線方程。7.利用有效度規(guī)的方法研究了等離子體中的多光子電離過程，獲得了激光-等離子體相互作用背景下的量子Volkov態(tài)。應(yīng)用量子電動力學(xué)的形式散射理論得出了多光子電離的散射截面。研究表明等離子體密度對發(fā)生在其中的多光子電離產(chǎn)生抑制作用。 8.利用有效度規(guī)理論研究了脈沖星表面磁層內(nèi)