[論文レビュー] Gravitatomagnetic Analogs of Electric Transformers

J.D. Swain|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2010

Relativity and Gravitational Theory参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、時間変化する質量エネルギー電流が変化する重力磁気的場を生成し、二次巻線に重力起動起電力を誘導する、電気的トランスフォーマの重力的アナログを提案する。主な貢献は、近接場重力誘導の理論的枠組みを確立し、一般相対性理論の新たな検証や、LHCにおける高エネルギー粒子ビームを用いた重力磁気的物質の探索を可能にするものである。

ABSTRACT

Linearized general relativity admits a formulation in terms of gravitoelectric and gravitomagnetic fields that closely parallels the description of the electromagnetic field by Maxwell's equations. For steady mass currents, this formalism has been used to understand gravitomagnetic effects like the Lense-Thirring dragging of inertial frames. For time-varying mass-energy currents, the analog of Faraday's law suggests new effects based on the gravitational equivalent of a transformer where such currents take the place of electrical currents. New experimental possibilities are suggested including a novel coupling mechanism of electromagnetism to gravity, new tests of general relativity in the ultrarelativistic limit using particle beams in the LHC, and searches for a materials exhibiting the gravitational analog of ferromagnetism.

研究の動機と目的

• 線形化一般相対性理論における電磁気的トランスフォーマに類似した重力磁気的誘導の理論的枠組みを確立すること。
• 特にLHCにおける高エネルギー粒子ビームを用いた重力磁気的効果の検出可能性を検討すること。
• 時間変化する質量電流を介した電磁気と重力の新たな結合メカニズムを提案すること。
• 高重力磁気的透過率を示すような、フェロ磁性体に類似した性質を示す物質の存在可能性を調査すること。
• 近接場重力磁気的誘導と重力波放射の違いを、相対論的状態における抑制なしの効果に着目して強調すること。

提案手法

• 重力起電場および重力磁気場をマクスウェル方程式に類似した形で定式化した線形化重力形式を採用する。
• 重力起動起電力 𝒢 を、重力起電場の線積分として定義する。これは起電力に類似している。
• 時間変化する重力磁気フラックスからの誘導を記述する、ファラデーに類似した法則 ∇×E = −(1/c) ∂(½B)/∂t を使用する。
• 一次巻線を、LHCにおける相対論的粒子のパルスビームのような時間変化する質量エネルギー電流としてモデル化する。
• 二次巻線における誘導された重力起動起電力を計算するための式 𝒢 = −(2/c) d/dt ∫B·da を適用する。
• 損失を最小限に抑え、重力磁気的効果への感度を向上させるために、超伝導体または超流動体を二次巻線として提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間変化する質量エネルギー電流を用いた重力トランスフォーマを構築できるか？
• RQ2 高エネルギー粒子加速器、特にLHCにおける近接場重力磁気的誘導の実験的シグネチャは何か？
• RQ3 フェロ磁性体に類似した重力的アナログが存在する可能性はあり、トランスフォーマのような構成で検出可能か？
• RQ4 重力磁気的誘導と重力波放射の間には、場の振る舞いと検出可能性においてどのような相違があるか？
• RQ5 電磁気的力が質量電流を駆動することで、同時に測定可能な重力磁気的場を生成し、二次ループに重力起動起電力を誘導できるか？

主な発見

• 本論文は、線形化一般相対性理論において、時間変化する質量エネルギー電流が変化する重力磁気フラックスを介して二次巻線に重力起動起電力を誘導する重力トランスフォーマが実現可能であることを確立した。
• 誘導された重力起動起電力は、電磁気学におけるファラデーの法則に類似した 𝒢 = −(2/c) d/dt ∫B·da で与えられる。
• 7 TeVの陽子を有するLHCにおける高エネルギー粒子ビーム（γ ≈ 7000）は、フラックスの時間変化率が高く、v/cの抑制が抑制されないため、近接場重力磁気的誘導の観測に適したプラットフォームを提供する。
• この効果は厳密に近接場に限定され、重力波放射とは明確に異なり、遅延効果やv/cの抑制がなく、重力波放射よりも検出が容易である。
• 超伝導体または超流動体を二次巻線として使用することで、感度が向上し、重力的磁気透過率のアナログの検出が可能になる。
• 本論文は、フェロ磁性体に類似した物質が重力において存在する可能性を示唆しており、その探索はこのようなトランスフォーマ構成によって可能になるが、現時点ではその存在についての理論的予測は存在しない。