理学院伽马科创计划：《高密度能量产生的时空弯曲的研究》成果展示

编者按：

中山大学理学院坚持以学生成长为中心，落实立德树人根本任务，不断提升人才培养质量。学院秉持“加强基础、促进交叉、尊重选择、卓越教学”人才培养理念，自2022年起启动“本科生伽玛科创计划”，支持本科生参加大学生创新训练计划、教师科研项目及学科竞赛等科研训练，激发学生主动学习，鼓励学生早进实验室、早接触科研、早潜心学术，注重培养学生的学习力、思想力、行动力，涵养创造力。

　　理学院开设的2022年度本科生伽玛科创计划项目（简称：“伽玛科创项目”）经过选题、立项、研究、结项答辩等环节，历时一年的时间已顺利完成。2022年度学院伽玛科创共立项18项，参与本科生学生60名。经过专家评审，项目通过结题答辩，6个项目获评优秀。现推出科研成果展示系列。

高密度能量产生的时空弯曲的研究

指导老师：黄永盛 教授
 项目完成人：钟浩、詹健豪、赵毅
考核结果：优秀

背景简介

　　自2015年人类首次探测到引力波以来，引力波天文学正式拉开序幕。来自遥远星系的双黑洞、双中子星系统等产生引力波的天体源，成为了检验广义相对论的主力军。由于天体来源的引力波事件发生概率随机，探测难度大，因此，实现实验室可调控可探测的引力场逐渐成为备受关注的研究领域。随着技术的发展，目前已经能够在实验室制备高密度能量的激光，根据广义相对论，该高密度能量有可能导致可探测的时空弯曲效应。为此，本课题选择实验室高密度能量激光作为引力源，调研总结激光产生引力场的性质及其探测方法，为进一步研究打好基础。

创新点
　　1、自从爱因斯坦提出广义相对论以来，引力对光的作用已经得到广泛研究。然而，光作为引力源却在很大程度上还未被探索；
　　2、激光的引力效应极其微弱，虽然在目前实验室条件下还无法检测到这些效应，但是对激光引力场进行充分的理论研究是十分有必要的。通过调研文献，我们发现携带轨道角动量的激光光束可以辐射引力波产生，因此研究拉盖尔-高斯激光光束产生的引力波成为了我们的后续工作；
　　3、我们的综述论文概括了目前为止关于激光引力场性质的研究及其测量方案，为未来从事相关研究的科研人员提供一个相对完整的介绍，并指明了现存问题以及未来可能的研究方向。

成果总结

项目实施的进展情况及初步取得的创新成果

　　在过去的一年中，我们的项目经历了基础理论学习、论文结果复现、论文调研和综述撰写四个关键阶段。在基础理论学习的部分，我们深入学习了广义相对论的引力场方程以及部分微分几何的知识。我们掌握了爱因斯坦场方程的线性引力理论，并学会了如何通过激光的能量动量张量计算微扰度规，并进一步计算联络以及黎曼曲率，得到测地线方程。接着在老师的指导下，我们通过Mathematica以及Matlab软件，成功复现了论文中激光引力场的计算结果以及图像展示。通过这一过程，我们加深了对广义相对论的理解，对四维时空以及引力的几何化有更深刻的印象。

　　紧接着，我们开始进行大规模的论文调研，搜索并阅读了近百篇相关论文。这些论文为我们提供了更多深入的理论知识，同时也让我们更好地了解了该领域的研究历史和当前的研究现状。我们系统地整理和分析了这些论文，从中提取出关键信息和重要观点，为我们之后的综述撰写奠定了坚实的基础。

　　之后，我们开始撰写综述论文，并已经完成了初稿。在这篇综述论文中，我们对激光引力场的这一研究领域进行了全面的描述和总结，包括理论方法以及实验探测，并指出了未来可能的研究方向。

　　当前，我们正进一步完善综述论文的内容，并根据导师的反馈进行修改和调整。我们积极吸收最新的研究成果和观点，以确保我们的综述论文具有一定的前瞻性和创新性。我们希望通过这篇论文的发表，为激光引力场领域的研究提供一个清晰且全面的概览，并为更深入的研究工作奠定基础。同时，我们正在研究携带轨道角动量的拉盖尔-高斯激光产生的引力波，并已取得初步的结果。