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近十年,人们发现许多不同的物质系统和相互作用过程存在类似于爱因斯坦引力的时空结构,如声在运动流体中传播时存在一个类似于引力度规的有效声度规,慢光在运动的介质中传播时会形成“光黑洞”以及在超流背景下玻色爱因斯坦凝聚态中的原子波函数的相扰动也会有类似现象等。由于它不仅对广义相对论的时空结构和引力的研究提供了有效动力学和某些动力学方面的载体,更重要的是为广义相对论的时空结构和引力的研究提供了多种模拟实验系统,所以类引力理论成为近些年引力领域研究的热点问题之一。
等离子体物理作为强场物理、相对论物理以及流体物理学的一个交叉领域,有非常广阔的发展前景和重要的应用。它是人们近年来研究的重要领域,而激光等离子体相互作用以及电子在激光等离子体相互作用中行为是其中一个重要的研究方向。本论文旨在用类引力理论对激光与等离子体相互作用进行研究,遵循广义相对论里场与物质相互作用几何化的思想,利用其中的有效度规、仿射联络等几何量来描述等离子体介质系统在光场下的电磁响应,将光场与等离子体的相互作用项转换为赝黎曼几何中的度规场和仿射联络,得出了以下结果(包括本论文的主要创新点):
(1)把激光等离子体相互作用等效为有效几何,给出了等离子体中电子在有效时空下的有效度规,并在非相对论近似下,证明了这种有效度规的合理性。
(2)由单电子在等效物理时空中的广义协变方程导出了具有合作响应和集体运动特征的等离子体电子运动方程。
(3)从电子的运动方程中直接获得了光场通过等离子体介质作用至电子上的有质动力和Abraham力的表达式。
(4)利用等离子体电子在等效物理时空中的运动方程、广义相对论下电荷守恒方程以及Maxwell方程导出了激发等离子体波所满足的密度微扰方程。