[論文レビュー] Cosmic Relativity: The Fundamental Theory of Relativity, its Implications, and Experimental Tests

C. S. Unnikrishnan|ArXiv.org|Jun 7, 2004

Quantum Mechanics and Applications参考文献 3被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、特殊相対性理論を置き換える根本的な相対性理論として『宇宙的相対性』を提唱する。この理論は、時空が平坦な状態における運動論的効果ではなく、ほぼ均一で等方的かつ臨界密度の宇宙の重力的影響によって、すべての相対論的効果——時間の遅れやトーマス・プレセッション——が生じるとする。理論はローレンツ不変性を保ちつつ、CMBRによって定義される優位な宇宙的静止系を導入し、実験的結果——特に絶対的速度依存の時間の遅れ——を重力的効果として説明することで、動的かつ観測可能な形でマッハの原理を満たす。

ABSTRACT

In this paper I argue for a reassessment of special relativity. The fundamental theory of relativity applicable in this Universe has to be consistent with the existence of the massive Universe, and with the effects of its gravitational interaction on local physics. A reanalysis of the situation suggests that all relativistic effects that are presently attributed to kinematics of relative motion in flat space-time are in fact gravitational effects of the nearly homogeneous and isotropic Universe. The correct theory of relativity is the one with a preferred cosmic rest frame. Yet, the theory preserves Lorentz invariance. I outline the new theory of Cosmic Relativity, and its implications to local physics, especially to physics of clocks and to quantum physics. This theory is generally applicable to inertial and noninertial motion. Most significanlty, experimental evidence support and favour Cosmic Relativity. There are observed effects that can be consistently explained only within Cosmic Relativity. The most amazing of these is the dependence of the time dilation of clocks on their `absolute' velocity relative to the cosmic rest frame. Important effects on quantum systems include the physical cause of the Thomas precession responsible for part of the spectral fine structure, and the phase changes responsible for the spin-statistics connection. At a deeper level it is conlcuded that relativity in flat space-time with matter reiterates Mach's principle. There will not be any relativistic effect in an empty Universe.

研究の動機と目的

• 相対論的効果が運動論的性質ではなく、宇宙の質量分布に起因する重力的性質であるという主張に基づき、特殊相対性理論を再評価すること。
• CMBR静止系に基づく優位な宇宙的静止系を確立し、絶対的時間と速度が物理的に意味を持つようにすること。
• 平坦な時空におけるすべての相対論的効果——時間の遅れ、同時性の相対性、量子位相効果——が、局所的系とグローバル質量エネルギー分布との重力的相互作用から導かれるべきであることを示すこと。
• 宇宙的相対性が0.1%の精度で実験データと整合することを示し、巨大な宇宙が存在する状況では特殊相対性理論よりも優位であることを示すこと。
• マッハ的原理を相対論的および量子力学と統合し、時空構造と量子挙動が宇宙との重力的結合から生じることを示すこと。

提案手法

• 相対論的重力のポストニュートン近似を再分析し、大規模質量分布に起因する重力的時間の遅れが特殊相対性理論の予測と一致することを示す。
• 臨界密度で空間的に平坦な宇宙をモデル化するためのロバートソン＝ウォーカー計量を用い、局所時計や系に影響する背景重力ポテンシャルを記述する。
• CMBR静止系を物理的優位フレームとして特定し、一様でない温度勾配（ダイポール非等方性）の不在が絶対的静止を定義し、温度の単調増加が絶対的時間を定義する。
• 時間の遅れやトーマス・プレセッションといった相対論的効果が運動論的性質ではなく、局所的系とグローバル質量分布との重力的相互作用から生じることを導出する。
• 量子系に理論を適用し、スピン統計則の接続や位相変化が、抽象的な対称性の仮定ではなく、宇宙との重力的結合から生じることを示す。
• 宇宙的相対性の予測を特殊相対性理論および一般相対性理論の予測と比較し、両者と整合しつつ、後者の曖昧性を解消できることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平坦な時空におけるすべての相対論的効果——時間の遅れや同時性の相対性——を、運動論的性質ではなく、ほぼ均一で巨大な宇宙の重力的効果として説明できるか？
• RQ2 優位な宇宙的静止フレームには物理的根拠があるのか？また、それは大規模構造および質量エネルギー分布から自然に生じるのか？
• RQ3 時計の時間の遅れがCMBR静止系に対する絶対的速度に依存することは、グローバル質量分布に起因する重力的遅延によって説明可能か？
• RQ4 宇宙的相対性は、仮定された対称性に依存せずに、トーマス・プレセッションやスピン統計則の接続といった量子現象をどのように説明するか？
• RQ5 宇宙的相対性は、マッハの原理をより自然に実現するのか？特に、宇宙が慣性や時空構造を定義する動的役割を果たすのか？

主な発見

• 宇宙の大規模質量分布に起因する重力的時間の遅れは、特殊相対性理論が予測する運動論的時間の遅れと同程度の大きさであり、0.1%の精度で実験データが重力的説明を支持する。
• 時計の時間の遅れがCMBR静止系に対する絶対的速度に依存することを示す明確な実験的証拠があり、これは特殊相対性理論の相対性の原理に反する。
• 原子のスペクトル微細構造の一部を説明するトーマス・プレセッションは、平坦な時空における運動論的回転ではなく、電子と宇宙そのものの重力的相互作用によって物理的に生じる。
• 量子場理論におけるスピン統計則の基礎となる位相変化は、抽象的な対称性の仮定ではなく、フェルミ粒子がグローバル質量分布と重力的結合することに起因する。
• 長さの収縮や同時性の相対性といった相対論的効果は運動論的性質ではなく、ほぼ臨界密度で等方的な宇宙の重力的効果である。これは、空の宇宙ではいかなる相対論的効果も存在しないことを示唆する。
• 宇宙的相対性は一般相対性理論と整合しており、ロバートソン＝ウォーカー計量を用いてアインシュタイン方程式から導出可能であるが、時空のグローバル構造を出発点から組み込むことで、相対性理論のより自然な基礎を提供する。