[論文レビュー] A new insight into the negative-mass paradox of gravity and the accelerating universe

Guang-jiong Ni|ArXiv.org|Aug 9, 2003

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、物質と反物質の間の反発的相互作用を許容する一般化されたニュートン的重力法則を提案し、物質と反物質の間の反重力によって負の質量のパラドックスを解消する。量子場理論におけるCPT対称性が質量反転対称性を正当化することを主張し、物質と反物質の間の反発が暗黒エネルギーを仮定せずに加速宇宙を説明できる新しい宇宙論的モデルを提示する。

ABSTRACT

The discovery of acceleration of the universe expansion in recent astrophysics research prompts the author to propose that the Newton's gravitation law can be generalized to accommodate the antimatter: While the force between matters(antimatters) is attractive, the force between matter and antimatter is a repulsive one. A paradox of negative-mass in gravity versus a basic symmetry (m-->-m) based on quantum mechanics is discussed in sufficient detail so that the new postulate could be established quite naturally. Corresponding modification of the theory of general relativity is also suggested. If we believe in the symmetry of particle and antiparticle as well as the antigravity between them, it might be possible to consider a new scenario of the expansion of universe which might provide some new insight into the interpretation of cosmological phenomena including the accelerating universe observed.

研究の動機と目的

• 古典的重力における負の質量パラドックス（負の質量が運動量およびエネルギー保存の法則に違反すること）を解消すること。
• 相対論的量子力学における負エネルギー状態の存在を、慣性質量の正の観測値と調和させること。
• CPT対称性および量子場理論を用いて、物質と反物質の間の反重力の物理的根拠を確立すること。
• 物質と反物質の間の反発的力を取り入れた、ニュートンの法則を一般化した修正重力枠組みを提唱すること。
• このモデルの宇宙論的影響を検討し、特に観測された宇宙の加速膨張を説明できる可能性を検討すること。

提案手法

• 重力の力の法則を一般化し、引力と斥力の両方を許容する：$ F(r) = \pm G m_1 m_2 / r^2 $、符号は質量の性質による。
• CPT対称性を適用して反粒子の波動関数を再定義し、反粒子が正のエネルギーを有し、運動量および電荷が逆転していることを示す。
• ポアンカレ群のカシミール不変量を用いて、質量反転（$ m \to -m $）が相対論的量子力学と整合的で対称的であることを示す。
• $ P_\mu P^\mu = m^2 $ および $ W_\sigma W^\sigma $ の不変性を通じて、粒子-反粒子対称性、時空反転対称性、質量反転対称性の等価性を導出する。
• 光子は静止質量がゼロであるため重力的力を及ぼさず、すべての物質および反物質によって決定される測地線に沿って運動すると提唱する。
• 一般相対性理論の局所化されたローレンツ対称性に類似して、時空反転対称性の局所化から一般相対性理論の未来の量子化が生じる可能性を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質と反物質の間の反発的相互作用を導入することで、重力における負の質量パラドックスを解消できるか？
• RQ2 量子場理論におけるCPT対称性が、物質と反物質の間の反重力の存在をどのように支持するか？
• RQ3 質量反転対称性（$ m \to -m $）が重力法則の定式化に与える影響は何か？
• RQ4 物質-反物質反発に基づく修正重力理論が、観測された宇宙の加速膨張を説明できるか？
• RQ5 提案されたモデルは、相対論的量子力学における負エネルギー状態の存在と、慣性質量の正の性質をどのように調和させるか？

主な発見

• 本稿では、負の質量パラドックスが物質と反物質の引力を仮定する場合にのみ生じ、反発的相互作用によってこのパラドックスが解消されることを確立している。
• CPT対称性により、反粒子は正のエネルギーを有し、波動関数変換 $ \psi_c = CPT\psi \sim \exp[-i(px - Et)/\hbar] $ が、正のエネルギーを有する反粒子の存在を正当化する。
• 質量反転対称性（$ m \to -m $）は、$ P_\mu P^\mu = m^2 $ および $ W_\sigma W^\sigma $ の不変性により物理的に整合的である。
• このモデルは、物質と反物質が互いに反発することを予測し、暗黒エネルギーを仮定せずに宇宙の加速膨張を駆動する可能性を示唆する。
• 光子が重力的質量を持たず、したがって重力場を生成または応答しないことが示され、静止質量がゼロであることに整合的である。
• 本稿では、将来の一般相対性理論の量子化が、時空反転対称性の局所化から生じる可能性を示唆しており、一般相対性理論が局所ローレンツ対称性から生じるのと類似している。