本发明涉及高频引力波的产生、折射及探测，这些高频引力波能 够被调制并用于通信、推进和用于试验新物理和天文理论、概念、及 推测目的。更具体地说，本发明涉及通过亚显微激励与可激励元素(分 子、原子、原子核、核粒子、光子、反质子等)的相互作用而产生引力 波(GW)。本发明也涉及使用诸如电磁或原子之类的力把第三阶时间导 数或振荡运动给与包括诸如靶核之类的一群亚质量或质量对的可激励 元素的一团。

比电磁力强将近一百倍的核力，是通过激励机理的相互作用产生 的，如亚显微粒子束与能彼此对准的诸如靶核之类的一群可激励元素， 或者与其粒子也能对准的另一个粒子束。在与粒子束或某种其它机理 相互作用时，一些原子核由碰撞粒子触发而产生核反应，由此产生冲 击，即经受往复加速度变化率或谐波振荡。一致行动的靶核或其它可 激励元素的集合所产生的往复加速度变化率或谐波振荡又产生引力波 (GW)。

本发明的一般概念是通过微小、地球可激励系统的使用来模拟或 模仿由可激励天体系统(转动双星、恒星爆炸、塌向黑洞等)产生的GW。 这样的地球系统产生远比天体系统大40个数量级的力场强度(与引力 相比的原子核或电磁的)和远比天体系统大12个数量级的频率(与1 Hz 或1 Hz的一小部分相比的THz)。根据本发明的各种实施例地球可激励 系统产生有意义和有用的GW，即使它们是比地球外、天体系统小的 数量级也是如此。在本发明的各种实施例中，通过激励模拟具有较大 回转半径的一个大得多和延伸的物体的运动的元素，顺序或一致激励 大量较小可激励元素，从而强化GW的产生。

背景技术说明

小罗伯特·M·L·贝克在提交于2000年7月14日、标题为引力 波产生器(Gravitational Wave Generator)的美国专利申请第09/616,683 号中讲授，质量的第三阶时间导数或者说加速度变化率产生引力波 (GW)或产生一个四极矩，并且GW能量沿加速度变化率的轴线辐射， 或者如果是谐波振荡，那么在与振荡轴线正交的平面内辐射。产生这 样一种加速度变化率或振荡的力可以是万有引力、离心力、电磁力、 核力或者事实上任何力。加速度变化率的数值，或者更明确地说，平 方质量的惯性矩的第三阶时间导数的数值，确定所产生GW的数值， GW例如由一种四极所近似确定。该后一个量近似等于一个非常小的 系数、和一个由质量回转半径的两倍乘以力的变化除以产生力变化需 要的时间间隔组成的核或分数的乘积。力激励机构可以是粒子束。粒 子束频率是把粒子束斩成簇生成的频率。根据Baker提交于2000年7 月14日的美国专利申请第09/616,683号中讨论的广义相对论，GW功 率的数值近似与核的平方成正比。GW在两个方向上根据加速度变化 率传播，这是因为有与四极方程的核有关的平方例如参见Landau& Lifshitz所著The Classical Theory of Fields，Pergamos Press于1975出版 的第四版，p.355，其在此被结合作为参考资料，还请参见本申请中的 公式1)，所以没有沿加速度变化率的轴线的优选方向。调制GW的传 输和后续探测使GW能够用在通信用途上。

本发明的一个优选实施例取决于对准靶核的使用，其中在粒子束 粒子与原子核碰撞时的核反应伴随物在空间中在一个优选方向上释放 其产物，从而所有靶核一致行动以产生加速度变化率或靶体(target mass) 的谐波振荡，并且累积地产生GW。因而与GW产生过程有关的是产 生核对准的封闭系统，而不是过程本身。这种系统和过程在Henry Williarm Wallace的三个专利3,626,605、3,626,606、及3,823,570中做 了描述，在此将该三个专利结合作为参考资料。适用于GW通信用途 的是通过超导量子干涉器件或SQUID测量小电压和电流的能力，这例 如由Michael B.Simonds在美国专利4,403,189中做了描述，在此将该 专利结合作为参考资料。另一种有用的技术，名为量子非毁坏(quantum non-demolition)或QND，也适用于GW通信用途，并且由Harry J.Kimble 等在美国专利4,944,592中做了描述，在此将该专利结合作为参考资料。 QND通过避免量子力学困难而有利于通信应用。

发明概述

本发明提供由亚显微(分子、原子、原子核、核粒子、质子等)激励 和可激励元素的相互作用引起的引力波(GW)的产生。这种相互作用涉 及电磁力或核力。相互作用的重要特征在于，使看作整体的可激励元 素的惯性质量加速度变化或谐波振荡，并由此产生GW。本发明的一 个当前优选实施例利用了强核力，强核力伴随着由亚显微激励粒子触 发或激励的核反应，该亚显微激励粒子例如为光子、电子、质子、中 子、反质子、α粒子等，来自入射在包括诸如原子核之类的可激励元素 的靶体上的高频脉动粒子束。在优选实施例中，就自旋或某些其它核 状态而论，通过放置在电磁场中、在超导状态下、自旋极化等，对准 或约束核。这导致在相同优选方向上发射的所有核反应的产物。每次 发射导致对于核的反冲击或力的快速建立，这使核加速度变化或者使 它们谐波振荡，并且导致引力波或也叫做“力子(forecons)”或“质量 子(massons)”的波/粒子的发射。在束中的粒子被斩成非常小的簇，即 具有例如GHz至THz的频率，从而在靶体中，即在靶核中，产生一种 非常快速的力建立或加速度变化，导致呈现斩波频率的GW。不用核 对准通过其它手段，如与未对准靶核的分子或高能核束粒子的碰撞， 也能完成冲击。由于在例如超导体中的引力波运动得明显比光速慢， 所以能把束的粒子加速到这种GW速度，并且与向前运动或径向运动 引力波同步地运动穿过组成靶体的靶核的集合。因而，当束的粒子一 致地运动穿过靶粒子而产生相干GW和模仿大得多的靶体时，向前运 动或径向运动引力波(GW)建立振幅。通过改变在粒子束中在每个粒子 簇中的粒子数量和斩波频率，由它产生的束和引力波都能调制和携带 信息。靶体或靶核群可以是一种固体、一种液体(包括诸如液氦II之类 的超流体)、一种气体(包括电子气)或其它粒子群。

附图简要说明

图1A是粒子束1与靶体9的碰撞示意图，碰撞导致产生具有轴线 21的引力波。

图1B是在一个粒子束中的粒子簇12与另一个进来粒子簇13的相 互作用示意图，这种相互作用导致产生具有轴线21的引力波。

图2是GW 21的示意图，GW 21穿过折射GW 34的介质并且当 它横过介质38的表面时使GW弯曲35且能聚焦。

图3A是激励粒子41碰撞激励粒子40的示意图，这种碰撞导致产 生圆柱形GW或GW环43。

图3B是与其它粒子44后续碰撞的示意图，这种碰撞导致强化GW 43的GW 45。

图3C是与其它粒子46的另一种后续碰撞的示意图，这种碰撞导 致强化GW 43和45的GW 47。

图3D是与其它粒子48的又一种后续碰撞的图，这种碰撞导致强 化GW 43、45和47的GW 49。

图4是可激励粒子50、54、56和58的示意图，这些粒子释放线 性或平面波GW 53、55、57、和59，建立或加强导致GW 62。

图5是一个粒子源15的示意图，该粒子源可由加速器件16加速， 由聚焦器件17聚焦及由斩波器件18分离成簇。该斩波器件由计算机 19、信息处理器件20和发射器件71所控制。粒子簇1激励靶粒子9， 并且导致具有轴线21和能够由接收器件70接收的GW。

图6A是诸如28的可激励元素阵列的平面视图，该可激励元素的 相对位置以27来指示。

图6B是一个可激励元素的阵列示意图，当GW 25的波峰或波前 通过时激励其成员26，结果生成具有180°方向角的强化GW。

图6C是图6B的阵列示意图，方向角是135°。

图6D是图6B的阵列示意图，方向角是90°。

图6E是图6B的阵列示意图，方向角是45°。

图6F是图6B的阵列示意图，方向角是0°。

图7是各种元素31的示意图，它们在一个球33上散布而导致具 有方向性的GW的产生或探测。

图8是利用根据本发明的引力波产生器的推进系统的方框图。

发明详细描述

图1A，在优选实施例中，一个入射粒子束1穿过靶体9的约束表 面23撞击靶体9，导致核反应或撞击并产生GW，GW呈现轴线21并 且能径向或在任一方向传播。反应或撞击也产生返回散射粒子2、在靶 核对准的优选方向22上运动的核反应产物3、同样主要在优选方向22 上运动的高能光子4(例如x射线发射)、溅射粒子7、及反冲原子8。 在被粒子束撞击时，一个典型的靶原子11通过核反应产物的释放或通 过碰撞或通过其它手段而有加速度变化，并且产生类似于或模仿亚显 微恒星爆炸或塌陷的GW，亚显微恒星爆炸或塌陷由Geoff Burdge， Deputy Director for Technology and Systems of the National Security Agency(国家安全局技术和系统副局长)，在2000年1月19日的书面 通信中做了讨论，该书面通信在此结合作为参考资料。上述轴线描述 和说明于在2000年7月14日提交的共同待决的美国专利申请第 09/616,683号中。在核反应产生加速度变化率的情况下，在反应物处的 回转半径显著小于GW波长，从而四极近似保持。激励过程也能导致 谐波振荡或造成一个四极辐射器。在这种情况下，GW如Albert Einstein 和Nathan Rosen(1937，Journal of the Franklin Institute，223，pp.43-54) 所讨论的那样，径向或圆柱传播。在四极近似中利用靶的特征长度、 吸收深度、或广延模拟靶体10的近似回转半径，以计算所产生的GW 的功率。

在图1B中，所示粒子簇12以碰撞角14与另一粒子束的入射粒子 簇13撞击或碰撞，碰撞角14可以是包括零的任何值。在这种情况下， 设想入射靶簇是自旋极化惰性气体，如氦II或氩的奇数核同位素等，以 便呈现在空间中的优选方向22。

在图2中展示一种GW速度在其中减小的介质34，由相对于介 质38的表面的一条法线37以倾斜角度36穿过这样一种介质38的边 界的GW引起的GW 35的新方向产生GW折射。表示其中GW速度 再次变化的介质的背部表面39，但为了清晰起见，没有呈现GW的折 射弯曲。适当介质的例子是超导介质。

在图3A、3B、3C和3D中呈现的是GW沿由可激励粒子的运动 方向42或四极辐射器轴线创建的并且与其正交的径向扩展圆柱形GW 波前的建立或累积。在图3A中，一个典型中央靶体粒子40由粒子束 簇的一个入射粒子41激励。径向扩展GW波前43以局部GW速度扩 散。

在时间Δt之后的图3B中，其中Δt是在第一和第二粒子簇到达之 间的时间，即与束斩波频率成反比。在这种情况下，从第一典型靶体 粒子40发射的GW 43被加强，或者与位于径向离靶体粒子40距离 VGWΔt处的其它靶体粒子44所产生的GW建设性地干涉，其中VGW 是局部GW速度。为清晰起见，仅呈现两个粒子44，它们处于与激励 运动方向正交的平面中在靶体中的这种靶粒子的环外。其位置使得其 GW 45与原始扩展GW 43建设性地干涉且使其加强。

在时间2Δt之后的图3C中，从第一粒子40和第二粒子44发出的 GW 43由另一组粒子46和其伴随物GW 47所加强。图3D是在时间 3Δt处，并且典型的靶体粒子48把其GW 49添加到累积和径向扩展的 GW上。每个到达束簇启动相干GW的附加扩展环，直到靶体粒子耗 尽或者直到其替换不可用。有大量同时激励的可激励粒子点，从而当 重叠GW时，GW透过靶体。

在以前的美国专利申请第09/616,683号中，认为典型的靶体，诸 如40、44、46、和48之类的粒子，是可激励元素。这样的元素可以是 永久磁铁；电磁铁；螺线管(或毫微螺线管)载流板；压电晶体；一般包 括谐波振荡器、毫微电机和毫微螺线管或微机电系统(MEMS)及毫微机 电系统(NEMS)的毫微机械等。在螺线管(或毫微螺线管)、某些毫微机 械、毫微机电系统、载流板等的情况下，可并列激励和可激励元素， 例如在毫微螺线管的情况下，激励线圈围绕可激励中央磁芯。

在上述′683申请中的激励元素包括线圈、在导体中运动的电流脉 冲、双分子电机等，它们在以前申请是其一个连续部分的美国专利 6,160,336中描述的各个独立可编程线圈系统(IIPCS)的控制下操作，以 便当其传播平面与可激励元素四极辐射器轴线的方向正交的GW的环 以局部GW速度扩散时，顺序激发或激励可激励元素。在这种情况下， 在GW环的平面的定向、该扩展环的扇区中能实现方向性，其中GW 波前通过激励可激励元素和/或通过一个GW与另一个GW的破坏性干 涉而加强或建设性地与其干涉(如在均匀、各向同性爆炸或塌陷恒星的 天体物理的情况下)。收集器元素，在以前的美国专利申请第09/616,683 号中，是在与可激励元素相同的位置处，并且顺序由IIPCS询问，以 探测或接收特定的GW频率，即调谐到GW频率。

在图4中，GW的通过激励元素的建设性干涉或加强或放大越过 由模拟宏观恒星爆炸或塌陷的微质量爆炸或塌陷所产生的线性图案 50、54、56、及58，表明如Burdge在op.cit.2000中所预测的那样GW 沿其轴线指向(但是沿轴线指向两个方向)。GW的加强由箭头53、55、 57、和59示意性地表示。当束簇和GW波峰或波前以相同速度一起穿 过包括靶体的粒子运动并且产生相干GW脉冲时，GW增加到一个较 大振幅62。靶粒子或可激励元素50、54、56、及58相隔VGWΔt，其 中VGW是GW速度而Δt是在激励之间的时间。因而模拟包括所有激 励靶粒子的广延质量。在上述′683申请的上下文中，认为靶体粒子50、 54、56、及58是可激励元素。如已经讨论的那样，这样的元素可以是 磁铁、导体、压电晶体、谐波振荡器、毫微机械等。收集器元素，在′683 的上下文中，是在与可激励元素相同的位置处，并且顺序由IIPCS询 问，以探测或接收具有特定频率和相位的GW。

在优选实施例的图5中，可以是激光或核反应的一个粒子源15产 生能由加速器件16加速(除非粒子是光子)、能由诸如超导流体或电磁 场之类的聚焦器件17聚焦及能由束斩波器18分离成簇的粒子。靶体 可以是一种固体、一种液体(包括诸如液氦II之类的超流体)、一种气体 (包括电子气)、或另一种粒子束。另外，对于在粒子源15处的每个簇 中的粒子的频率和数量，能把束分离成簇并且调制。粒子源15或束斩 波器18由计算机19、信息处理器件20和发射器件71控制。粒子束簇 1撞击靶粒子9并且产生核反应，产生能在接收器件70处接收的GW 21。加强处理器件20可以例如是一个Kalman滤波器和/或一个用来辨 别待激励元素的查阅表。

在图6A中，表明的是典型元素堆或元素集或子集的阵列的平面视 图，它们可以是GW收集器或者可以是诸如靶原子或核之类的可激励 元素。描述这些元素的位置或地址的下标27由i、j、φk指示。例如， 顶部元素28具有下标i＝0(第0列)，j＝4(第4行)，而φk代表该单个 元素的方向性，其由一个活性元素或元素集对准或通过连接下部元素 堆中的一个特定的第k个成员产生，具有适当固定定向，图中所示仅 为其顶部成员。作为另一个例子，元素29具有下标i-1(第1列)，j＝1(第 1行)，及φk。

在图6B中，对于优选方向22的方向角是180°，并且GW波峰61 的以前位置在GW波峰25以后。在GW方向21上在元素处的线(或包 括GW波峰的平面)之间的距离是24。在GW 21的预期GW波峰25 上的元素26被接到一个询问(探测模式)或激励(产生模式)的信息处理 器件。在图6C中，GW波峰60的未来位置在GW波峰25的前面，并 且方向角是135°，在图6D中它是90°，在图6E中它是45°，在图6F 中它是0°。

在图7中表明的是元素集或子集或电极31的一个球面集，包括在 球面33上分布的元素，其对于元素集或子集32的第k个成员具有方 向角αk和δk。

在图8中以方框图形式表示利用引力波产生器的一个推进系统。 如其所示，该推进系统提供在一个车辆壳体75内布置的引力波产生器 67。该产生器包括一个激励元素的粒子束源69、和包括靶体可激励元 素的核反应腔室72。这样的元素可能涉及其产物在激励元素运动的粒 子束的方向上非对称分布的高能、核粒子碰撞(如Charles Seife所讨论 的那样(参见2001年的Sience，Volume 291，Number 5504，p.573，在此 将其结合作为参考资料)。另外，可激励核元素可以被约束到优选取向 上而产生碰撞产物的优选方向，和同样在优选方向上的核加速度变化 率。由于四极方程(即公式(1))的核涉及平方，所以GW是双向的，即 GW轴线在沿加速度变化率轴线的两个方向上延伸而与加速度变化率 的方向无关。这种GW方向性示意表明在母专利6,160,336的图8A和 8B中。向后运动的引力波62离开车辆的后部，在所希望的行驶方向 74上推动车辆。在核反应腔室72中的靶体可激励元素通过建设性干涉 或加强而建立如图4中呈现的相干GW 62。包括靶的可激励元素系统 模拟具有在图1A中呈现的较大有效回转半径10的一个更广延质量， 并因此较强的GW和较大的动量引起在所希望行驶方向74上的向前运 动。一种折射介质能截获相反或指向前方的GW，并且这些射线可以 被弯曲或折射到侧面，以便减小GW动量的前向分量，由此促进在所 希望行驶方向上向前推进。由与包括靶体的元素的激励相联系的加速 度变化率所产生的GW的向前运动部分不是相干的。这个GW部分是 每个个别可激励元素的较小实际回转半径的结果。因而产生较弱的GW 并且其可以如前所述，由一种GW折射介质弯曲到侧面，而且带去小 得多的动量来抵消在所希望的向前行驶方向上的推进，而使得向前推 进处于支配地位。

本发明相信这一事实：诸如核之类的亚显微粒子团或群的快速运 动或加速度变化率或振荡将产生一个四极矩并且产生例如高达太赫兹 (THz)的有用高频的GW。这里所描述的器件根据激励和可激励亚显微 粒子的相互作用而以几种方式完成GW产生。

在一个优选实施例中，一群靶核或靶束粒子响应一粒子束的撞击 而一致地变化加速度或者否则的话设成为运动，例如谐波振荡运动， 其中该粒子束是携带能量和信息的粒子或波的定向流动。所述粒子束 以与引力波的局部速度相同的速度运动。根据Ning Li和Douglas Torr (参见1992年 Physical Review B，Volume 64，Number 9，p.5491)，如果 靶是超导体，那么估计GW比真空中的GW速度或光速慢两个数量级。 明确地说，他们叙述：“应该指出，由于对在超导体内传播的…引力 波的相位速度完全不了解，所以通常假定其等于光速。涉及折射的相 位速度是各个波相对于群组速度的速度，该群组速度是以其传输信息 或能量的速度。我们主张，在超导体中耦合电磁场和引力电磁场与库 柏对的相互作用将形成一种其特征在于相位速度νρ的超导冷凝波。由 于…对于第一时间相位速度可以预测为

   νρ≈...106[m/s]                          (30) 这比光速小两个数量级”。

靶将呈现吸收厚度，也就是一长度，在该长度上许多撞击粒子与 靶核相互作用以产生核反应，核反应的碰撞产物在一个导致加速度变 化或振荡的优选方向上运动。

粒子束由在一个圆柱形束管中产生的粒子簇组成，每个簇进入靶 材料并与一个靶核或靶束粒子的圆柱体相互作用，其包括靶体，具有 与模拟靶体的回转半径有关的长度。相互作用的结果，除由核反应或 碰撞给与靶体的加速度变化或振荡之外，还包括返回散射粒子5、次级 电子6、溅射粒子、向前散射粒子(穿隧)及反冲原子以及离子注入。

加速度变化产生或振荡产生的撞击涉及对于核和粒子的弹性(单库 仑)和非弹性(bresstrahlung)散射撞击，并有时导致核反应，核反应的产 物在基于靶对准的优选方向22上向外运动。粒子束簇的前边缘以等于 局部GW速度的速度撞击在圆柱靶体体积中的核或粒子。当每个核或 其它粒子束靶受到撞击，并通过对核产物发射或碰撞的反作用而变化 加速度或否则的话设定运动时，它在与束的速度正交的方向和/或在靶 核处的对准方向上产生GW，并且该GW在振幅上增大，及模拟具有 大于任何单个可激励元素的有效回转半径的较大靶体。

GW也能在与一个四极(谐波振荡器)轴线正交的方向上或在加速 度变化的方向上产生，从而粒子束定向的GW建立或累积，并且当束 粒子穿过靶核前进时产生一相干GW，并由此模拟一个广延靶体。根 据Douglas Torr和Ning Li(参见1993年Foundation of Physics Letters， Volume 6，Number 4，p.371)“…晶格离子，…一定执行与超导现象一致 的相干局部化运动。”因而，一个优选实施例使靶核约束在圆柱超导 态下。当粒子束簇运动向下进入靶核圆柱时，它一个接一个地撞击靶 核，产生GW并且当它与簇的粒子在图1A的空间中的优选方向22上 同步前进时添加到向前运动或径向指向的GW的振幅上，由此模拟一 个广延靶体。粒子束簇由一个粒子发射和/或斩波器控制计算机调制， 以通过调制所产生的GW给与信息。另外，由于GW能借助于通过诸 如超导体之类的介质而减慢(Li和Torr op.cit.1992)，并因此而如在透 镜中那样由它折射，GW可以受到聚焦和强化。

在另一个实施例中，在入射粒子束气体分子激励元素如一氧化氮 NO与含有如Au(111)的可激励元素的金属靶表面之间的电子转移动力 学，已经由Yuhui Huang等(参见2000年Science，Volume 290，No.5489， pp.111-114)进行了讨论。与较高振动状态下的可激励靶分子有关的大 振幅振动运动强调制激励电子转移反应的能量驱动力。在这方面，尽 管没有联系GW的产生进行讨论，但根据Huang等(出处同上，p.113)， “…多量子振动转换在亚皮秒时间级上发生。”

为了完成关于GW产生或发射器件的实验或通信，必须探测或接 收GW。在这方面，提交于2000年7月14日的美国专利申请第 09/616,683号中描述了这样一种探测器件，其中收集器元素代替本发明 的可激励元素。GW接收器在知道要产生GW的方向上定向。借助于 一种呈现透镜形状的折射介质可以将GW聚焦在探测器件上，如图2 中所示，以便放大GW强度。此外，由于也知道GW频率，所以能询 问GW接收器的收集器元素，也就是说，通过控制计算机，以预期的 即调谐的入射GW频率顺序，选择性地连接到一个信息处理器件上。 因而，当入射GW穿过GW接收器的收集器元素的集合时，利用压电 晶体、或电容器、或应变仪、或传感器、或参数传感器、或毫微机械 或超导耦合微波腔等，在GW波峰通过它们的预期时刻询问这些元素。

不确定性存在于GW相位的确定中。在例如亚皮秒时间分辨率内， 由控制计算机初始扫过所有的可能GW相位(或GW波峰碰到收集器元 素的引导行的时刻)以建立与所接收GW信号的最大振幅最好相关的相 位，即调谐到GW信号。在这种初始化之后，通过比如Robert M.L Baker，Jr.所描述的一种Kalman滤波技术(参见Academic Press，New York在1967年出版的Astrodynamics，Applications and Advanced Topics，pp.384-392)来跟踪GW相位。由一些可选择的收集器元素可以 测量所产生的小电压和电流，例如通过使用Josephson结的超导量子干 涉器件(SQUID)(描述于美国专利4,403,189中)和/或通过用于光学但应 用来减小高频GW的量子噪声极限问题的量子非毁坏(QND)技术测量。 QND技术首先由Moscow State University的Vladimir Braginsky提出， 并由A.M.Smith发表(参见“Noise Reduction in Optical Measurement Systems”，1978年IEE Proceedings，volume 125，Number 10，pp. 935-941)。

再参考提交于2000年7月14日美国专利申请第09/616,683号， 其描述了收集器元素，当附加到用于GW产生的可激励元素上并且由 个别独立可编程线圈系统(IIPCS)——其为一种起一个收发机作用的器 件——连接时，这些收集器元素能探测穿过相同导体的GW。IIPCS更 详尽地描述于美国专利6,610,336中。这样一种控制计算机能把收集器 元素连接在一起，并在有效检测从特定方向入射的GW的模式中能询 问它们，而且以类似方式，它能连接激励器元素，并以一种模式激励 它们，从而有效地导引径向或线性传播的GW或者在一个特定方向上 操纵它们。因此，扫描来自一组给定方向的GW和操纵在一组给定方 向上的GW，即在GW的接收和发射中均提供方向性，是有价值的。 与信息处理器件协同工作的控制计算机建立在GW接收器与GW发射 器之间、或者代之以在GW收发器中的通信链路，并且建立点对多点 通信。

上述方向性能可以由图6最好地加以说明。图6A呈现一个元素阵 列或元素集或子集的一个典型部分的平面视图，元素带有下标27、i、 j、φk。φk代表各个元素的方向角，该方向角相对于空间中的某一任 意固定方向30而被度量，通过活性元素对准(通过在电磁场中、在超导 状态下、自旋极化等)或者是一个元素集或子集、或者通过连接到具有 适当固定取向的一个下部元素堆的特定成员上产生，各图只表示其顶 部成员。在这后一情况下，i、j元素堆高度例如可以是180个成员，每 个成员与在该三维元素集合中的下一个成员偏离一度(k＝1至180)。中 央或控制计算机或信息处理功能因此是一种查阅下标的表，其对于一 给定的方向性应该是“on”，并且还位于感兴趣的特定GW的波峰(入 射或出射)。一个“on”元素是一个被询问(对于接收)或被激励(对于发 射)的元素。

在图6B中对于优选方向22的方向角是180°。在GW 21的感兴趣 预期GW波峰25上的元素通信到收集器，并且被询问(探测模式)或被 激励(产生模式)。GW波峰61的以前位置在波峰25之后。在图6C中， 方向角是135°，并且波峰60的未来位置在波峰25的前面。在图6D 中方向角是90°，在图6E中它是45°，而在图6F中它是0°。坐标旋转 将提供三维上的方向性。在这后一方面，元素可以是元素阵列或元素 集或子集，并且这些阵列作为收集器或可激励元素可以在其活性方面 是球面各向同性的。在一个实施例中，元素集或子集包括在球面配置 或阵列中的压电晶体。因而，可以在任何方向检测或产生GW。在这 种情况下，压电晶体可以均匀地散布在图7中呈现的球33的表面上。 在一个优选实施例中，每个元素包括带有在其表面上均匀散布的电极 31的球形压电晶体33，并且以相反对被询问或激励以实现在GW的探 测或产生中的方向性。

图7表明球33和包括元素集或子集的元素31(收集器或可激励 的)。这种元素集或子集的典型成员32对于由符号φk(αk，δk)定义的元 素集或子集的第k个成员具有其方向角αk和δk。在一个实施例中，元 素是压电晶体。在一个优选实施例中，元素是附加到单个球形压电晶 体的表面33上的电极31。因而，在电极的相反对受到激励时GW的 传播可以被操纵，而在起收集器作用的电极的相反对受到询问时GW 的传播可以从特定方向被探测。通过如图6B、6C、6D、6E和6E中表 示的适当模式或顺序而对其进行激励或询问，无数这样的球形压电晶 体就可以共同地产生或探测相干GW。

数值示例

通过激励诸如粒子束粒子的元素与诸如对准靶核的可激励元素的 碰撞，GW产生的特定关系是这里描述的使用本发明的结果。为更好 地理解这种关系，有益的是参考标准四极近似，L.C.Landau及E.M. Lifshitz所著“The Classical Theory of Fields(古典场论)”p.355中的Eq. (110.16)，，1975年Pergamon Press的Fourth Revised English Edition(第四 次修订英文版)，或J.P.Ostriker所著“Astrophysical Source of Gravitational Radiation(引力辐射的天体物理源)”p.463中的Eq.(1)， (in Sources of Gravitational Radiation，编辑L.L.Smarr，1979年 Cambridge University Press出版)，它给出GW辐射功率(瓦特)为

P＝-dE/dt＝-(G/45c5)(d3Ddβ/dt3)2[瓦特]                 (1) 其中

E＝能量[焦耳]，

t＝时间[s]，

G＝6.67423×10-11[m3/kg-s2](万有引力常数，不是爱因斯坦张量)，

c＝3×108[m/s](光速)，及Ddβ[kg-m2]是靶粒子的质量的四极惯性矩 张量，而δ和β下标指示张量分量和方向。量(d3Ddβ/dt3)2是在四极近似处 的核。

公式(1)也可以表示为：

P＝-GKI3dot(d3I/dt3)2/5(d/2)2[瓦特]                     (2) 其中I＝(∑m)r2[kg-m2]，为惯性矩，

(∑m)＝由粒子束碰撞、排出核反应产物、及引起一致加速度变化 或反冲的各个靶核的质量之和[kg]，(或当前向运动GW波前运动过时 至少加速度变化率或振荡)，

r＝构成靶体的靶核的集合的有效回转半径[m]，而K13dot是由试验 建立的无量纲常数或函数。

惯性矩的第三阶导数是：

d3I/dt3＝(∑m)d3r2/dt3＝2r(∑m)d3r/dt3+…                                  (3)

并且注意到下式而计算d3r/dt3：

2r(∑m)d2r/dt2＝n2rfn[N-m](运动方程)                          (4)

其中n是与靶核碰撞以发射核反应产物的束粒子的数量，而fn是 由核反应产物的释放引起的对于给定靶核的核反应力。第三阶导数由 下式近似：

$d^{3}I/{\mathrm{dt}}^3\cong n2\mathrm{r\Delta }{f}_n/\mathrm{\Delta t}.....\left(5\right)$

其中Δfn是由核反应产物的释放或碰撞冲击在短时间间隔Δt上引 起在核的集合上的几乎瞬时增大的力。Δt是典型的各次碰撞的核反应 时间，这里取作10-12[s]。为了计算方便起见，我们也把在粒子簇发射 之间的时间取作Δt。因而斩波频率是一THz。

当一簇束粒子撞到靶核材料时，粒子撞击在靶核上，它们例如有 10％引起核反应。在这方面，靶体的特征长度(或模拟或有效回转半径 r)可以被认为是靶体的厚度，或是在给定簇中的粒子数量减半之前粒子 束簇以局部GW速度运动的距离，或者是当包括靶体的激励粒子的集 合一致地以局部GW速度运动和模拟一个内聚靶体时减小靶体的有效 回转半径的某一其它度量。靶核由以局部声速传播的分子间力保持到 位，即在Δt间隔期间，在束粒子与靶核相互作用并且创建对准的核反 应产物时，粒子运动一个距离vΔt，其中v是使之等于局部GW速度 VGW的粒子速度，但核运动得较慢并且在声速上彼此影响。因而，可 选择的特征长度可以是vΔt或局部声在Δt内运动的距离或靶体圆柱的 长度、或吸收厚度等。对于数值例子，我们选择r＝l[cm]＝0.01[m]和具 有一平方厘米横截面面积的束本身。因而对于数值示例，靶体是在一 侧的一个一厘米的立方体，且产生的GW环来自在一厘米厚的板或片 中向外运动的谐波振荡。

对于KI3dot＝1，在由自旋杆的离心力加速度变化辐射的GW的情况 下，根据Joseph Weber所著“Gravitational Waves”中的Eq.(1)，(p.90，in Gravitation and Relativity，Chapter 5，W.A..Benjamin，Inc.，New York于 1964出版)并引入公式(5)，公式(2)成为

P＝1.76×10-52(n2rΔfn/Δt)2[瓦特]                       (6)

在典型簇中的粒子数量估计近似为Stanford Linear Collider(斯坦福 线性加速器即SLC)的粒子数或4×1010个粒子。估计粒子的10％撞击靶 核并且导致核反应(即，10％的收获量)，所以n＝4×1010。把这些数插入 公式(6)，我们有：

P＝1.7×410-52(4×1010×2×0.01Δfn/Δt)2[瓦特]         (7)

并且，对于质量亏损和冲击核力经受进一步确认，这是加速度变 化率数值的确认，我们取Δfn＝1×10-6[N]而Δt＝10-12[s]，得到：

P＝1.13×10-22[瓦特]。

对于靶元素的谐波振荡的3.6×10-19[瓦特/m2]的GW通量，基准面 积是一厘米厚和一厘米直径的盘的边沿或3.14×10-4[m2]，或者对于靶 元素的线性加速度变化率是一平方厘米(有一个0.5的系数，因为GW 分为两支：一半在加速度变化的方向上运动，一半在相反方向上运动)。 前者导致一个5.65×10-19[瓦特/m2]的GW通量的向前分量。一透镜系 统，其包括在其中减慢GW的介质(如一种超导介质)，可以把GW从 比如一平方厘米集中或聚焦到(10[微米])2，以使GW通量增大106达到 5.65×10-13[瓦特/m2]。注意，在折射介质中，GW波长明显小于在THz 频率下的10[微米]，从而GW绕射如果存在的话也不很显著。所有以 前的四极方程都是对于P的近似。由于GW的缓慢，约为光速的百分 之一，在超导靶中的GW波长约为λGW 0.01cΔt＝3×106×10-12＝3×10-6[m]， 但仍大于靶核、束粒子、或核反应产物的半径或r，所以λGW＞＞r，并且 也由于缓慢传播速度，所有速度＜＜c。因而四极近似是良好的，但KI3dot 仍将得到进一步改进，如同本发明的激励和加速度变化产生或谐波振 荡产生机制的收获和其它细节那样，例如Δfn和Δt。

脉冲双星PSR 1913+16的分析

如在以前的美国专利申请第90/616,683号中所讨论的，由于脉冲 双星PSR 1913+16代表GW的唯一实验性确认，所以通过该双星系统 的进一步分析将更好地理解本发明的特征和优点。根据Robert M.L. Baker，Jr.发表的“Preliminary Tests of Fundamental Concepts Associated with Gravitational-wave Spacecraft Propulsion，”第3页(Paper No. 2000-5250 in the CD-ROM proceedings of American Institute of Aeronautics and Astronautics Space 2000 Conference and Exposition， AIAA Dispatch： dispatch@lhl.lib.mo.us.或www.aiaa.org/publications). 2000年9月19～21日，该双星呈现m＝2.05×1030[kg]的质量、2.05×109 [m]的半主轴a、及2.25×10-4[弧度/s]的平均运动n(或ω)。在该星对的 轨道Δfcfx，y期间经受变化的平均离心力分量或力向量分量是

man2＝(5.56×1030)(2.05×109)(2.25×10-4)2＝5.77×1032[N]。  (8)

根据Joseph Weber在1964年op cit中第90页的Eq.(1)和根据本 说明书中的公式(2)，对于具有惯性矩I[kg-m2]和角速率ω[弧度/s]绕通 过其中点的轴线自旋的杆的引力波(GW)辐射功率的爱因斯坦公式 (1918，Sitzungsberichte，Preussische Akademi der Wisserschaften，p.154) 有：

P＝-32GI2ω6/5c5＝-G(Iω3)2/5(c/2)5[瓦特]                   (9) 或

P＝-1.76×10-52(Iω3)2＝-1.76×10-52(r[rmω2]ω)2            (10)

其中使用经典(而非相对论的)力学，对于具有质量m和回转半径r 的杆，可以把[rmω2]2与杆的离心力向量fcf的幅值的平方相联系。这个 向量每半个周期以杆的两倍角速率颠倒(并且分量的数值平方在杆周期 一半中完成一个完整周期)。因而GW频率是2ω，并且离心力fcfx的比 如x分量的数值的时间变化速率是

Δfcfx/Δt∝2fcfxω                                                                                               (11)

(注意频率υ＝ω/2π。)离心力向量本身的变化(当除以时间间隔时称 为“加速度变化率”)是一个与fcf成直角的差分向量，并且沿哑铃或杆 运动通过的弧的切向定向。如以前描述的那样，公式(9)是一种近似， 并且仅对于r＜＜λGW(GW的波长)和对于远小于c(光速)的GW产生器 的速度保持准确。

公式(9)与在Landau和Lifshitz在1975年op.cit.的p.356上对于圆 形轨道上的两个物体给出的公式相同(在其注释中I＝μr2)，其中ω＝n，轨 道平均运动。

作为使用加速度变化率估计引力波的确认，让我们利用加速度变 化率方法计算PSR 1913+16的引力辐射功率。我们在公式(8)中计算每 一个力变化的分量，即Δfcfx，，y＝5.77×1032[N](乘以二，因为离心力每半 个周期颠倒其方向)和Δt＝(1/2)(7.75小时×60分钟×60秒)＝1.395×104[s]。 因而使用加速度变化率方法：

P＝-1.76×10-52{(2rΔfcfx/Δt)2+(2rΔfcfy/Δt)2}

＝-1.76×10-52(2×2.05×109×5.77×1032/1.395×104)2×2

＝-10.1×1024[瓦特]                                           (12)

相对于-9.296×1024[瓦特]通过Baker结合使用平均近点角的(op. cit.，2000，p.4)的分析所给出的使用Landau和Lifshitz的(op.cit.，1975， p.356)更准确公式。吻合令人吃惊的接近当然是意外的，因为由于轨道 偏心率而在围绕轨道的Δfcfx，，y分量中没有对称性。尽管如此，加速度变 化方法的数值得到了良好证明。

本发明对于宇宙学的应用

由于本发明在推测的空间时间宇宙(STU)连续体或构造中产生波 或波纹(见美国专利6,160,336)，它能用来探索宇宙推测和理论。根据 爱因斯坦广义相对论的草图，时间和空间随物质事物而消失。即，物 质(恒星到原子核)不可分离地与时间和空间相结合且反之亦然。在爱因 斯坦时空的构造中，除山、谷和洞之外全都是“事物”。

据推测，惯性和吸引质量的等效，并且所有力、引力、离心力、 电磁力、核力等的统一在于它们在多维STU构造中都是简单的波动。 我们可以认为离心力场是引力场而弹性力、推力、拉力等力场原始是 电磁的。因而力是STU的一种性质并且反之亦然。这样一种概念与 Schdinger于1946年(在Denis Brian′s Einstein a life，1996，John Wiley & Sons，p.351中报告)在其理论“…纯波理论，其中空间-时间的结构产生 万有引力、电磁及甚至强核的经典模拟(力)”中所表示的类似。事实上， 术语“引力波”可以为术语“力波”或“惯性波”所替代，因为它是 力的变化、任何力或引力、或导致在STU构造中的波或波纹的惯性质 量的加速度变化率。

引力波直接与运动中的惯性质量(由引力或力的变化-加速度变化 率谐波振荡引起)相关，而不与引力场直接相关。在这方面，对于这样 一种力波的波/粒子提议定义为“力子”或“质量子”。这样的波/粒子 是对与电磁波有关的光子、与万有引力有关的引力子、及与强核力有 关的胶子的模拟。由于历史原因，术语引力波应该保持，而为了避免 与引力子混淆和错误的GW仅与万有引力的联系，应该制造术语力子 或质量子。

在光子、引力子、胶子等与力子或质量子之间有一种基本差别。 前者为多维STU构造的弯曲所表明，该弯曲由与电荷、质量、核粒子 等有关的引力或力(据推测全部与引力类似，即不是真实的“力”，而 是在多维STU中沿收敛或发散短程的运动)所产生，而后者为与前者有 关的力或加速度变化率或振荡的快速变化所表明——类似于在STU构 造中“挥鞭”或“击鼓”从而在STU构造中产生波纹。因而波/粒子的 所有性质，像衍射和散射，在力子或质量子中可能不存在。

继续最初级水平的STU连续介质的草图推测，位置和速度的固有 不确定性(如与实际上不能实验性地同时准确定义位置和速度相反)简 单地反映这一事实：你不能从任何单一一个有利点“看到”整个STU 全景。因而会有完全的决定论，原因和结果能占优势，并且“上帝不 必玩骰子”，因为所有事物都在STU构造中，例如在不同的宇宙中在 不同时刻，不能“看到”每个事物。在STU构造中一条“线”不能连 接“点”，但“点”仍然在那里并且其在构造上的“运动”是可预测 的；但不幸的是，它们不能同时被“看到”或“预测”。较常规的时 空连续体嵌在多维STU中，该多维STU为多维拓扑空间。

就量子力学而论，可将STU构造的详细表面看作起棱的或类似于 台阶——基本量子台阶。根据这种推测，在“…一种光滑空间几何形 状…”与“…在短距离上量子世界的猛烈波动…量子泡沫的搅动狂乱。” 之间的难控制边界(Brian Greene所著“the elegant universe(美妙的宇 宙)”p.129，1999，Norton，New York)只不过是在密切宇宙之间小刻度的 界面，其中的实体前后任意移动，其实际上借助于质量/能量和动量守 恒和熵恒定使过渡平滑。因而在给定宇宙中基本常数的测量依据在“何 处”(或“何时”)它们受到测量而经受非常小的变化。

在这方面，“何处”具有更全面的意义。在STU中，“何处”类 似于在常规空间(不过是各维的一种连续体)中的位置。另一方面，“何 处和什么”是类时的宇宙维。在“我们的”宇宙中，它就是“时间- 何时。”这些极度简化的一般宇宙学推测需要非常复杂的数学，以便 得到定量结果，并且使它们不仅是表面空想。因而本发明在得到关于 以上推测和定量宇宙学理论和预测的确认的实验深入理解方面是有用 的。而且本发明的接收器方面，由于它涉及高频GW的探测，在研究 印在其开始之后在约10-25与10-12[s]之间的GW背景上的“Big Bang(大 爆炸)”信息方面是有用的。

发明背景