TR3Bのビーム照射推進の理論的考察

重力放射とその宇宙旅行への応用
原則と必要な科学的発展。
ジョルジョフォンタナ
トレント大学、材料工学部、38050メシアノ、テネシー州、イタリア
fontana@ing.unitn.it

概要。
重力放射は、一般相対性理論によって予測されるとらえどころのない放射形態であり、今日の計測器の感度の限界における激しい理論的および実験的研究の主題です。この放射の直接的な証拠は現在存在しないという事実にもかかわらず、観測された天体物理現象はその存在の説得力のある証拠を与えてきました。理論は、重力放射が推進力にも使用される可能性があることを予測し、さらに時空の非線形動作は、重力放射の衝突ビームによる時空特異点の生成を可能にする可能性があり、この現象は、推進剤なしの推進力の形になる可能性があります。どちらのアプリケーションでも、高出力で適切な光学特性を備えた重力波発生器が必要です。重力波の生成に適用できる提案された技術の中で、有望なものは、量子システムによる重力子の可能な放出である。 s波/ d波超伝導体接合における重力子の生成を説明する仮説が提示されます。

前書き
誰もが、質量、重力、慣性、および反力の影響について個人的な経験を持つことができます。
この観点から、現代の宇宙推進は非常に古い概念に適用された高度な技術です。
反応による推進は十分に確立された技術ですが、必要な推進剤の総量が受け入れられなくなるため、星間宇宙旅行には適していません。さらに、関連する速度制限により、何世紀にもわたらず数十年続くミッションが必要になります。
宇宙推進システムのさまざまな機能要素を改善できる可能性のある多くの興味深い手法が文献で提案されていますが、1994年まで根本的に新しいアプローチは登場しませんでした。最高速度に到達できる推進力（Alcubierre、1994）。
アルカビエールの分析では、推進システムに必要なエネルギーの問題は取り上げられておらず、推進器自体の正確な性質も説明されていませんでした。
ワープドライブに必要なエネルギーの見積もりは、宇宙の総エネルギー量の10倍に相当する量から、いくつかの太陽の質量の量に変わりました。
縦糸推進機のハードウェアはまだ謎です。ワープドライブの場合、負のエネルギー密度が必要であり、関連するエキゾチックな物質は古典的に禁止されています。負のエネルギー密度は量子場の理論に存在する可能性がありますが、これらの好ましい条件が非一時的な形で作成できるかどうかはわかりません。さらに強調すると、車両の周囲の空間でそれらがどのように作成されるかはわかりません。
幸いなことに、推進剤を使用しない推進力にはより単純なアプローチがあり、アルカビエールのワープドライブのような一般相対論から導き出すことができます。
この論文では、重力放射で時空を操作する方法と、重力放射を生成する方法について説明します。必要なエネルギー量と推進システムの詳細な構造の重要な問題は未解決の問題ですが、これらの問題は私たちの研究能力の範囲内にあります。
私たちのアプローチは、一般相対性理論のいくつかの側面、具体的には重力放射の存在、重力放射の衝突ビームの特性、および重力放射の生成の考えられるメカニズムに基づいています。

重力放射の存在について
20世紀の初めに、アルバートアインシュタインは相対性理論とニュートン重力の概念を、より完全で信頼できる重力理論、一般相対性理論に発展させました。一般相対性理論では、重力を生み出す10の量があります。エネルギー密度、運動量密度の3つのコンポーネント、および応力の6つのコンポーネントです。メトリックテンソルのコンポーネントで表される10個の未知数があります。
場の方程式は、対称な4x4行列hαβの構成要素である10個の場のセットで書くことができます。これは、計量テンソルと特殊相対性理論のそれからの偏りを表します。フラット時空のミンコフスキー計量です。

ソースは、フィールドを作成できるエネルギー密度と応力のセットを表します。この表現は、重力場を、エネルギー、運動量密度、およびソース内の応力の関数としての時空の形状の歪みとして実質的に説明します。ソース内の速度がcよりもはるかに小さく、hが1（ソース内の非線形項は無視できる）に比べて小さい場合、アインシュタイン方程式は、ソース内およびソース近くのニュートン方程式に還元されます。一般相対論は、場の方程式の解を波の形で認めます。アインシュタイン自身は、いくつかの制限された条件下でさまざまなソースからの重力波の放出を計算しました。実際、線形化された方程式を使用して得られた多数の正確な解があります。これらのソリューションは、重力波の放出、伝搬、および検出を研究するために、天体物理学ソースからの重力波研究に採用されています。それらはまた、実験装置からの重力放射の放出の研究にも採用されています。
上記の線形化が適用できない場合は、アドホック近似または非常に複雑な数値法によって解決できる問題を処理しています。たとえば、ブラックホールのインスパイアリングとマージのフルスケールの非常に相対論的なシミュレーションでは、スーパーコンピューターの操作に10年かかる可能性があります。
通常、問題はいくつかの部分的な問題に分けられ、さまざまな手法が適用されます。たとえば、天体物理学の源による重力放射の放出には、非線形展開を伴うアドホックな方法が必要な場合がありますが、波の伝播と検出は、線形近似で調べることができます（Thorne、1980）。
重力波は電磁波のように横波ですが、四重極の性質があるため、e-m波とは異なります。一連の無料のテスト粒子を使用すると、通過する重力波により、粒子とそのローカル慣性フレームの小さな相対加速度が生成されます。相対加速度は、四重極型の力線で表されます。考えられる2つの偏光は、π/ 4角度で分離された「+」と「×」です。
一連のテスト粒子が円に沿って分布し、粒子を含む平面が波の伝播方向に直交する場合、通過する波は円の形状を楕円形に変え、次に円に変えます。横断面の重力波は領域を維持し、テスト粒子の円の変形の振幅はhです。
1918年、アルバートアインシュタインは、重力波場の式を、信号源の四重極モーメントの2次導関数の関数として導出しました。

地球上で検出でき、周波数が約1 kHzの天体物理学起源の重力波の無次元振幅hは、10〜17〜10〜22です。重力波は、レーザー光線（干渉センサー）への時空の歪みの影響、または機械的共振器（ウェーバーバー検出器）に生じる応力を測定することで検出できます（ソーン、1980年）。天体物理学的ソースの予測される振幅は非常に小さいため、研究者は直接の重力波検出が行われたことを確信できません。人工的に生成された重力波の検出は、さらに悪い課題です。なぜなら、比較的相対論的な領域で回転している超高密度物質だけが、遠距離で検出可能な重力放射を効率的に放出できるからです。困難にもかかわらず、30000 rpmで回転し、中心から3.5mの距離にある四重極モーメント5.5⋅10-3kg m2の8.75 kgのローターを使用して、ニアフィールドテストが成功しました（Astone、1991）。 CERNのウェーバーバー重力波アンテナエクスプローラの。
重力放射はエネルギーと運動量を伝達するため、その存在は発生源での逆反応から推測できます。可能性のあるバイナリパルサーに対する逆反応により、システムの軌道周期が検出可能で非常に特異な方法で変化する可能性があることが判明しています。そのようなシステムの研究は、一般相対性理論の妥当性チェックを提供することもできます。幸いにも、1973年にテイラーとハルスは最初のバイナリパルサーを発見しました。彼らは、放出された無線パルスにおける重力放射の放出のサインを発見し、一般相対論の妥当性を検証しました。この作品は、1993年のノーベル物理学賞（Hulse、1994）、（Taylor、1994）で認められています。

重力放射の性質について
重力放射の2つの特性は私たちにとって興味深いものです。 1つ目の特性は、重力放射を直接推進に使用できることです。 2番目の特性は、アインシュタイン方程式の非線形性の結果です。重力波の振幅が十分に大きい場合、この非線形性が高調波とクーロンのような成分の原因になります。さらに、衝突するビームの場合、クーロンのような成分の出現により、時空はミキサーとして機能する場合があります。比較すると、電離層などの非線形媒体での電磁波の伝播は、電離と放電の原因である電荷分離を引き起こす可能性がありますが、推進力には役立ちません。これは、電磁気が正と負を認めるためです。電荷が、巨視的なオブジェクトは通常中立です。
明らかな非線形効果の生成に必要な重力波の振幅については説明しません。これらの現象は非常に相対論的なシステム、たとえば中性子星のバイナリシステムと互換性があることを単純に観察します。
内部運動だけで物体を加速する可能性について、非常に興味深い論文が最近発行されました（Bonnor、1997）。ここでは、重力波の異方性放出によって加速されたロケットの運動が、近似法を使用して研究されています。これらの方法は、運動量の保存やアドホック式を想定しておらず、運動方程式は場の方程式を直接解くことによって得られます。
重力波の放出によるロケットのエネルギー損失は、四重極の式と一致していることがわかっています。電力損失は次のとおりです。

ここで、mはロケットの初期質量、それに関連する便利な長さ、p、qはtの関数、四重極モーメントはここでQ（t）= ma2h（t）、八重極モーメントはO（t）です。 = ma3k（t）、さらにp（x）= d2h（x）/ dx2およびq（x）= d3k（x）/ dx3。どちらの式にも、今日の知識があれば、天体の物体のみが検出可能な効果を生み出すことができる重力放射を放出できることを示す用語が含まれていますが、一般相対性理論では平面重力波によって輸送されるエネルギーの定義が未解決の問題であることを考慮する必要があります。
宇宙旅行で興味深いと思われる重力放射の2番目の特性について、30年の研究後に得られた結果は、次のように簡単に説明できます。 2つの衝撃的な平面波と無限の波面との相互作用は、波の振幅に関係なく時空特異点の作成で終了すると考えられている自己集束プロセスを開始します（Szekeres、1972）。特異点の作成に必要な時間は、波Aの振幅と2つの波の相対分極αの関数です（Ferrari、1988）。

これらの結果は、より現実的なビームのような重力波のケースにも適用でき（Ferrari、Pendenza、Veneziano、1988）、2つの重力ビームの相互作用を説明する研究（Veneziano、1987）によって確認されています。重力平面波の衝突は、曲率特異点または座標特異点を生成する可能性があり、放射はクーロンのような重力場に完全に変換されます。重力放射の完全に焦点を合わせた単一のビームが、波の振幅に関係なく焦点に時空特異点を生成する可能性があるという推測を行うかもしれません。さらに、焦点を合わせたビームの光学的欠陥の結果として、それらは自然に行動によって減少する可能性があります衝突プロセスの場合、このプロパティは、波の振幅と高周波成分で改善されます。
衝突問題のソリューションはブラックホールソリューションのクラスに対応します。ソリューションの類似性は、外部条件が変更されたときに2つの物理システムが同一または同一に安定していることを意味しませんが、同様の効果が期待できます。類似性は単に衝突問題の正確な数学的説明によるものである可能性がありますが、ミニブラックホールを作成する可能性は今日の知識では排除できません。これは、実験室でこれらの条件を作成する試みが行われた場合の主な安全上の懸念です。
繰り返しになりますが、理論は奇妙な結果をもたらします。一般に、相対論的な非線形性は極端な天体物理学オブジェクトのような非常に相対論的なシステムに関連付けられますが、重力波の相互作用は波の振幅に関係なくこれらの極端な条件に到達できるようです。
重力波の相互相互作用により、クーロンのような重力場を伴う整流波が出現することがわかりました。このフィールドが宇宙船の外に作成された場合、宇宙船は歪みに向かって自由落下します。質量によって作成された時空の歪みに古典的な画像を使用すると、私たちの宇宙船は時空の落ち込みを追跡します。移動するくぼみは、移動する質量のような重力波としてエネルギーを放出します。
有名なアインシュタイン方程式を使用すると、m = E / c2のため、エネルギー密度（物質）は効率的な重力源ではないことがわかります。2つの等しい重い粒子の場合、内部静止エネルギーは積分重力エネルギーよりもはるかに高く、さらにこれを移動します。別の場所への重力の源はこのエネルギー密度の輸送を必要とします。代わりに、重力波を直接かつ完全に、ビームの焦点に追従する重力場に変換できます。ビームのソースは宇宙船に搭載されている可能性があります。

重力放射の実験室での生成
歴史的に、この論文の2番目のセクションで報告されているように、重力放射の放出は天体物理学システムで研究されており、この主題に関して非常に大きな文献が存在します。その代わり、重力放射の実験室での生成は、おそらくGWアンテナの較正に使用されたローター（Astone、1991）を除いて、開発の理論段階にあります。
既知のエネルギー源から重力放射が生成されることを期待しているため、重要なパラメーターは確かに変換効率、つまり重力放射の出力と入力の比率です。入力電力と出力電力の差を分散させる必要があり、これは重大な付随的な問題になる可能性があります。
さらに、式から。 4多くのパラメーターの中で、振幅はω6の影響を受けることがわかり、より高い周波数でジェネレーターの出力を改善できるという考えにつながります。
より高い周波数と低損失の要求を組み合わせることで、重力放射の微視的な発生源が私たちのアプリケーションの優先的な発生源になる可能性があるという考えにつながります。
以下のサブセクションでは、可能な構造、計算された出力パワー、および重力放射の古典的および量子源の変換効率について簡単に説明します。

古典システムからの重力放射
実験室での高周波重力放射の可能性がある3つの非量子メカニズムを特定できます（Pinto、1988）。いくつかのエレメンタリジェネレータをアレイに配置する可能性は、ビーム状の放射を与えます。
EM-GWコンバーターでは、EMフィールドの応力エネルギーテンソルが重力放射のソースです。
EM-GWコンバーターは、静的な軸バイアス磁界H0を備えた円筒型EM共振器に基づいて研究されています。
TE111共振モードを使用して、壁で消費される電力と重力波で放出される電力が計算されました（Pinto、1988）。

ここでは、円錐ビームに含まれるgw放射θc-Δθ/ 2 <θ<θc+Δθ/ 2が想定されています。
H0 = H111 = 105Gauss、λ= 1m、d / R = 10を使用して、Pgw≈10-17W、Pinput≈Pwalls≈109Wを取得します。
EMパルスソースは、短いソレノイドまたは永久磁石と、ソレノイドによって生成された磁場を通過するTEM伝送ラインで構成されます。次に、EMエネルギーのパルスが伝送ラインに沿って送信されます。半径10 kmのリング伝送線路と数MWの電力のEMパルス発生器を使用する場合、この発生器から振幅h≈10-34が予想されます。
光子/フォノンポンプGWジェネレーターは、UHF-SHF変調レーザービームによって励起された圧電板のアレイで構成されています。
この発電機のGW出力電力の式が得られました（Pinto、1988）。

Qacがプレートの品質係数である場合、Pacは入力電力、Swとlはそれぞれプレートの面積と長さ、vとcはそれぞれ音速と光速です。
通常のvs / c比で計算された変換効率は、純粋なEMコンバーターの変換効率よりも約4桁低くなります。 vs≈cの場合、このコンバーターの効率は、純粋なEMコンバーターよりも約13桁高くなる可能性があります。
コヒーレントソースの場合、EM-GWコンバーターと比較すると、次のようになります。

完全を期すために、典型的なvsound / c≈10-5〜-6があり、約108 V / cmの電磁界が水の密度と同等の質量密度を生成することがわかります。

量子系からの重力放射
電磁放射と同様に、重力放射は量子遷移によって放出される可能性があります。このコンセプトを、よく知られているバイナリパルサーGWソースに単純に例えて説明します。この類推によって、重力放射の理想的な実験室の線源は、核物質密度と電荷を備えたほぼ同一の軌道にある物体である可能性があり、電磁場でそれらを制御する能力を私たちに与えます。原理的にはEM-GWコンバーターの効率には関係のないスケールファクターであり、そのようなオブジェクトの高周波アレイを探すことで、たとえばクーパーのペアのサイズに達するスケールファクターを削減できます。初期要件。
原子スケールでは、重力放射の量子である重力子の放出には、放出システムの量子化された角運動量のL = 2遷移が伴います。
（Halpern、1964）では、重力場と顕微鏡システムとの相互作用の調査は、核および分子現象にまで拡張されており、重力相互作用は、ここでは重力放射が巨視的レベルよりも重要であるという興味深い結果が出ています。生成と検出が非常に困難です。周期的に振動するソースから生じる重力放射場の多極展開は、電磁界に使用される方法と完全に類似して実行され、成功した実験的にテストされた方法論を正式に再現しました。
（Halpern、1964）および（Halpern、1968）によると、軌道量子数Lが+または-2だけ変化し、総量子数Jが0または+または-2だけ変化する原子遷移は、重力四重極遷移であり、重力子の放出は許可されていますが、光子の放出は禁止されています。軌道3dから1s、3dから2s、3dから3sへの原子遷移は遷移の候補となり、適切な材料の原子による重力放射の生成に適用できることがわかっています。材料は光子によってポンピングされ、重力によって崩壊することができます。残念ながら、重力遷移の確率は電磁気の場合よりもはるかに低くなります。等しい構造の行列要素のこの比率は、次のオーダーです。

ここで、χ2は（Halpern、1964）で定義されています。eは電荷で、mは放出粒子の質量です。陽子の場合、この比は1.6⋅10-36ですが、分子遷移の場合は約104倍になる可能性があります。 HalpernとLaurentは最初に高周波重力放射の自然発生源を探しました。彼らは、いくつかの可能な恒星プロセスに関与する重力子のエネルギーは非常に高く、太陽の57Feで14.4 keV、超新星から16.1 MeVであると計算しました（Halpern、1964）。彼らは誘導放出の可能性について議論し、「ガス発生器」と呼ばれるレーザーの重力対応物の物理的構造も示唆しました。デバイス構造は、今日のX線レーザーに似た空洞のないシングルパスデバイスでした。繰り返しになりますが、重力子の吸収と放出の確率が非常に低いことは、単純な原子系ではガス処理装置が不可能なことを示しています。
与えられた量子系を電磁放射で重力励起状態にポンプすると、結果として生じる状態も電磁励起状態であり、電磁放出の確率は重力状態よりも約1036倍高く、別のアプローチが必要であるという結論

ここで、システムを構成する2つの等しい粒子間の引力を急激に変化させるバイナリ量子システムを想像します。結果として生じる状態の確率はそれに応じて変化し、適切な変化が起こった場合、重力子の誘導放出が生じる可能性があります。異なる超伝導材料でのクーパー対の量子化された角運動量の測定が行われ、それらは上記の可能性と互換性があります。実際、最近（Harlingen、1995）、（Kouznetsov、1997）、（Sigrist、1995）、（Ding、1996）、（Barret、1991）実験では、次数の秩序パラメータの2つの異なる対称性のみの存在が観察されています。低Tcおよび高Tc超伝導体、s波成分との対称性（LTSCおよびYBCO HTSC）およびd波成分との対称性（HTSC）（Kouznetsov、1997）、したがって、クーパーペアはs-軌道とd軌道。また、クーパー対が非平衡条件下、つまり磁場の影響下で、秩序パラメーターの対称性がタイプdである超伝導体から、この対称性がタイプsである超伝導体に移動する場合、スピンが2の粒子の放出によってエネルギーが遷移し、エネルギーが失われる可能性があります。結合エネルギーの推定に重要な関連現象は、YBCO /絶縁体/通常の広帯域THz電磁放射の放出の観測です。 -金属接合。この放出はジョセフソン効果とは関係がなく、光子とフォノンの再結合にチャネルを与える非超伝導材料との界面でのクーパー対と準粒子の再結合が原因であることがわかっています（Lee、1998）。 ;放出の力は非常に小さかったが、実験は電子結合エネルギーが実際に界面で放出され、このエネルギーの測定値が与えられることを示している。従来の超伝導体と高Tc超伝導体のペアリング状態の対称性に関する包括的な議論は（Harlingen、1995）とその中の参考文献にあります。
s波とd波の超伝導体の間の接合部（SDS接合部）は、電気回路に接合部を挿入し、放射の最大可能放出を調べる目的でここで定義できます。エネルギーバランス式を使用して、SDS接合から放出される放射の最大振幅を推定できます。 SDSジャンクションをTcsおよびTcdをはるかに下回る温度に保つと、1回の遷移で解放される結合エネルギーは次の数分の1になります。
kTTBcscd−、ここでTcdはd波超伝導体の臨界温度、Tcsはs波超伝導体の臨界温度、kBはボルツマン定数であり、電子結合エネルギーは臨界温度に比例すると考えられます。
この部分が1の因数であるという仮説を立てると、通常のエネルギーバランス方程式を書くことができます。
hvkTTBcscd = −、
（Lee、1998）で観測された周波数に近い数百GHzのオーダーの周波数を取得する。プロセスによって放出される最大電力は、ほとんどの超伝導体の臨界電流と約10 kA / cm2の電流の仮説で見つけることができます。この電流密度は、ボーズ凝縮に対するジョセフソン効果も抑制します。電子の電荷を導入すると、次のパワー密度が得られます。

これは10 W / cm2のオーダーです。
遷移は2つのクーパーペアのリザーバー間にあり、ペアはすべて2つの量子状態で凝縮され、各遷移によって放出される放射の周波数と位相が各イベントで厳密に同じになるため、ジャンクションの平面に直交するコヒーレントでコリメートされた放射が期待されます。。
可能な重力効果を含むSDS接合の詳細な分析はまだ行われていません。これは、主に、高Tc超伝導体での電子のペアリングを説明するための十分な理論が存在しないためです。したがって、これらの誘導されたL = 2遷移が重力子に関連付けられているかどうかは、理論的および実験的に調査する必要があります。

ここで提示された可能性に向けた強力な研究努力の欠如にもかかわらず、高温超伝導に関するさらなる知識を得るために、ある種のSDS接合が最近研究されました（Moessle）。
M.MoessleとR. Kleinerは、c軸のPb / BSCCOジョセフソントンネル接合で非ゼロの超電流が観測され、簡単な理由で説明できないことを実験的に見出しました。超伝導秩序パラメータのs波成分は、純粋なd波超伝導体であるBSCCOにも存在する必要があるように見えました。 MoessleとKleinerは、厳密な意味で、データは界面付近とPbのTc未満の温度でのみs成分の存在を示すことを報告しました。
重力効果を含まないSDS接合に関する理論は田中幸夫によって開発されました彼の論文は、無限次数を含むアーノルド、古崎、塚田による以前の理論を使用して、s / i / d接合における超電流を予測する理論を提示していますトンネリングプロセス。 d波/絶縁体/ s波平面接触接合（d / s接合）間のジョセフソン電流が計算されます。このような場合、臨界電流Icは、転移温度Tc付近のTc-Tに比例します。基本的な議論は、s波動関数とd波動関数は直交しており、ある種の放射線に関連する粒子が放出または吸収されない限り、SDS接合の超電流は予測できないということです。この可能な粒子を、適切なスピンを持つ重力子で特定します。
HalpernとLaurentの理論は、一般的には重力子の放出の確率が非常に低いことを予測していますが、これは線形化された理論ですが、トンネリングプロセスにおける電子の相対論的質量を考慮することにより、より現実的になることができます。m= mo /√ （1-v2 / c2）。ここでは、電子が明らかに光の速度でトンネル接合を通過し、その質量を無限大および無限小の時間にするため、さらに困難が生じます。式の比率。 11は、微小時間で無限になり、重力子の放出に十分な時間間隔で1よりはるかに大きくなる可能性があります。

結論
この論文は、著者が新しい推進技術になる可能性があると信じているものの最も関連性の高い要素について簡単に説明しました。理論的背景は一般相対性理論の背景であり、この論文の主な主題は人工の線源からの重力放射です。理論的な論文の幅広いコレクションといくつかの実験的な論文を参照すると、重力放射が宇宙推進に使用できることが示されています。
さらに、重力放射は人工的な手段で生成できることが示され、量子システムからのその可能な放出に関する新しい仮説が提案されました。衝突問題のより深い分析といくつかの有望な物質における重力遷移の研究により、さらなる発展が期待されています。

https://arxiv.org/pdf/physics/0110042.pdf