[論文レビュー] A critical analysis of the concept of time in physics

Claudio Borghi|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2018

Relativity and Gravitational Theory参考文献 17被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、物理学における時間の概念を批判的に検討し、一般相対性理論と整合する期間を正確に測定できるのは、特に原子時計に限られる実際の時計に限られることを主張している。一方、放射性時計や生物学的時計は、そのようにはならない可能性がある。論文は、相対性理論的時間の普遍性に疑問を呈し、特に熱的時間仮説の下で、相対性理論の予測と実際の時計の挙動との間に一貫性の欠如が生じることを強調している。物理的時間は、単一の相対性理論的枠組みに還元できるものではなく、物理学における時間の基礎的再考が不可欠であると結論づけている。

ABSTRACT

This paper puts forward a broad critical analysis of the concept of physical time. Clock effect is conceived as a consequence of the variation of the gravitational or pseudo gravitational potential, and it is remarked that only some real clocks measure durations in agreement with the predictions of general relativity. A probable disagreement is expected between radioactive and atomic clocks, in the light of Rovelli's thermal time hypothesis. According to the recent contributions by Rugh and Zinkernagel, the relationship between time and clocks is investigated in order to found on a physical basis the concept of cosmic time. In the conclusive section is argued the impossibility of reducing thermal time to relativistic time.

研究の動機と目的

• ニュートン的およびアインシュタイン的物理学における時間の操作的定義を批判的に評価すること。
• 時間の遅れと時計効果の違いを明確にし、物理的期間を測定するにあたり実際の時計の役割を強調すること。
• 重力的または擬似重力的場における原子時計と放射性時計の間の潜在的な不一致を調査すること。
• ロヴェッリの熱的時間仮説が、相対性理論的時間と熱的時間の同等性に与える影響を評価すること。
• 抽象的な理論的モデルではなく、実証的時計挙動に基づいて物理学における時間の基礎的再考を主張すること。

提案手法

• 同期手順と観測者依存性に注目した、ニュートン的およびアインシュタイン的枠組みにおける時間の操作的定義の分析。
• 時計仮説と、相対論的文脈における異なる時計タイプの同等性に与える影響の検討。
• 重力的または擬似重力的ポテンシャルの変化に伴う、実際の時計（特に放射性時計と原子時計）の挙動の調査。
• ロヴェッリの熱的時間仮説を適用し、熱的時計が相対性理論的時間と一貫して時間を測定できるかどうかを検証すること。
• 特殊相対性理論と一般相対性理論における時計同期の推移性の評価、特に時空の曲がりが生じる場での挙動。
• 認識論的分析を用いて、実際の時計が測定する物理的時間と、時空のような数学的構造との違いを明確にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子時計や放射性時計といった実際の時計が、一般相対性理論の予測と整合的に期間を測定できる程度はどの程度か。
• RQ2 不可逆的な内部過程に依存して動作する熱的時計は、物理的時間を測定する相対性理論的時計と同等とみなせるか。
• RQ3 なぜ時計効果が重力的または擬似重力的ポテンシャルに依存するのか。これは時間の性質にどのような含意を持つのか。
• RQ4 熱的時間は相対性理論的時間に還元可能か、それとも根本的に異なる物理的概念なのか。
• RQ5 宇宙的時間の操作的定義は、物理的時計の選択とその挙動にどの程度依存するのか。

主な発見

• 一般相対性理論の予測と整合する期間を測定できるのは、限定的な実際の時計、特に原子時計に限られる。一方、放射性時計や生物学的時計は、そのようにはならない可能性がある。
• 時計効果が重力的または擬似重力的ポテンシャルの変化に起因すること、すべての時計測定装置に普遍的に適用されるものではないことが示された。
• 熱的時間仮説により、放射性時計と原子時計の間に確実な不一致が生じると予想される。この仮説は、時間の定義が時空幾何学によって普遍的に行えないことを示唆している。
• 一般相対性理論において、時計同期の推移性が成立しない。これは、相対論的枠組みにおける普遍的時間の仮定を揺るがすものである。
• 世界線に沿って測定される固有時間は、時計や物理系の内部進化の速度に関する情報を含まない。これは、幾何的時間と物理的時間の間に根本的なギャップがあることを示している。
• 論文は、物理的時間が単一の理論的構造に還元できるものではなく、実証的時計挙動に基づいた物理学における時間の基礎的再考が不可欠であると結論づけている。