[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种引力变压器的类比，其中随时间变化的质量-能量电流产生变化的引力磁场所诱导出次级绕组中的引力电动势，类似于电磁感应。其主要贡献在于建立了近场引力感应的理论框架，从而为广义相对论的新测试以及利用大型强子对撞机（LHC）等高能粒子束探测引力磁性材料提供了可能。

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.

研究动机与目标

• 在线性化广义相对论中建立类似于电磁变压器的引力磁感应理论框架。
• 探讨利用高能粒子束（特别是大型强子对撞机LHC）探测引力磁效应的实验可能性。
• 提出一种通过随时间变化的质量电流实现电磁学与引力之间新型耦合机制。
• 研究具有引力类比铁磁性特性的物质（如高引力磁导率）存在的可能性。
• 区分近场引力磁感应与引力辐射，强调在相对论性情形下无抑制效应的特性。

提出的方法

• 采用线性化引力形式，其中引力电场和引力磁场与麦克斯韦方程组类比。
• 将引力电动势 𝒢 定义为引力电场的线积分，类比于电动势。
• 使用类法拉第定律 ∇×E = −(1/c) ∂(½B)/∂t 描述由随时间变化的引力磁通量引起的感应。
• 将初级绕组建模为随时间变化的质量-能量电流，例如大型强子对撞机（LHC）中的相对论性粒子脉冲束。
• 应用公式 𝒢 = −(2/c) d/dt ∫B·da 计算次级绕组中感应出的引力电动势。
• 建议使用超导或超流材料作为次级绕组，以最小化损耗并增强对引力磁效应的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用随时间变化的质量-能量电流而非电流来构建引力变压器？
• RQ2 在高能粒子加速器（如大型强子对撞机LHC）中，近场引力磁感应的实验特征是什么？
• RQ3 是否存在引力类比的铁磁性？能否通过类似变压器的装置探测到它？
• RQ4 在场行为和可探测性方面，引力磁感应与引力波辐射有何不同？
• RQ5 电磁力能否驱动质量电流，使其同时产生可测量的引力磁场，并在次级回路中感应出引力电动势？

主要发现

• 本文确立了在广义相对论线性化形式下，可通过随时间变化的质量-能量电流，利用变化的引力磁通量在次级绕组中感应出引力电动势，从而实现引力变压器。
• 感应出的引力电动势由 𝒢 = −(2/c) d/dt ∫B·da 给出，类比于电磁学中的法拉第定律。
• 大型强子对撞机（LHC）中的高能粒子束（如7 TeV质子，γ ≈ 7000）由于具有极高的磁通量变化率且 v/c 项抑制效应被抑制，为观测近场引力磁感应提供了可行平台。
• 该效应严格局限于近场，与引力辐射有本质区别，避免了传播延迟和 v/c 项的抑制，因此比引力波辐射更具可探测性。
• 使用超导或超流材料作为次级绕组可增强灵敏度，并可能探测到引力磁导率的类比效应。
• 本文提出引力中可能存在类似铁磁性的物质，尽管目前尚无理论预测其存在，但此类装置可能为探测它们提供可能。