[論文レビュー] Einstein's Geometrical Versus Feynman's Quantum-Field Approaches to Gravity Physics: Testing by Modern Multimessenger Astronomy

Yu. V. Baryshev|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 212被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、アインシュタインの幾何的一般相対性理論（GRT）とファインマンの量子場理論的重力理論（QFGT）を比較し、QFGT—ポincare対称性、局所化可能なエネルギー運動量、スピン2／スピン0の重力場に基づく—が、GRTにおける主要な概念的矛盾を解消する一貫した量子枠組みを提供すると主張している。また、重力波やブラックホール像の観測を含む現代のマルチメッセンジャ天文観測が、スカラー重力放射やブラックホールでないコンパクトな天体といったQFGTの予測を検証可能であることを示している。

ABSTRACT

Modern multimessenger astronomy delivers unique opportunity for performing crucial observations that allow for testing the physics of the gravitational interaction. These tests include detection of gravitational waves by advanced LIGO-Virgo antennas, Event Horizon Telescope observations of central relativistic compact objects (RCO) in active galactic nuclei (AGN), X-ray spectroscopic observations of Fe K line in AGN, Galactic X-ray sources measurement of masses and radiuses of neutron stars, quark stars, and other RCO. A very important task of observational cosmology is to perform large surveys of galactic distances independent on cosmological redshifts for testing the nature of the Hubble law and peculiar velocities. Forthcoming multimessenger astronomy, using such facilities as advanced LIGO-Virgo, Event Horizon Telescope (EHT), ALMA, WALLABY, JWST, EUCLID, and THESEUS, can elucidate the relation between Einstein's geometrical and Feynman's quantum-field approaches to gravity physics and deliver a new possibilities for unification of gravitation with other fundamental quantum physical interactions.

研究の動機と目的

• ファインマンの量子場理論的重力理論（QFGT）がアインシュタインの幾何的一般相対性理論（GRT）の代替として、概念的および観測的に妥当であるかを評価すること。
• GRTとは異なるQFGTの観測可能な予測を特定すること、特に重力場エネルギーの性質およびスカラー重力場の存在に関するものである。
• 現代のマルチメッセンジャ天文観測—LIGO-Virgo、EHT、JWST、EUCLIDを用いて—、重力の量子的性質と幾何的性質を区別する方法を検討すること。
• 非膨張するミンコフスキー時空に従う動的な物質および化学的進化を特徴とする、QFGTに基づくフィールド重力フラクタル宇宙論モデル（FGF）を提唱すること。このモデルでは、ハッブルの法則を膨張する空間を仮定せずに、グローバルな量子重力赤方偏移として再解釈する。

提案手法

• 静的作用の原理からQFGTを形式的に導出。10自由度を持つ対称第二階テンソルポテンシャルを、ゲージ不変性およびエネルギー運動量テンソル（EMT）の保存によって6自由度に削減。
• 物質EMTのトレースが、GRTにおけるスピン2テンソル場とは異なり、動的スピン0スカラー場の源であることを特定。
• ポストニュートン近似（PN）を用いて運動方程式を導出し、スピン2＋スピン0ポテンシャルの複合的効果に起因するポアンカレ力および加速度項を含む。
• ラグランジアン形式主義を用いて、重力場の場の方程式およびエネルギー運動量テンソルを導出し、局所化可能性と正のエネルギー密度を保証。
• 非膨張するミンコフスキー時空に従い、動的な物質および化学的進化を特徴とするフィールド重力フラクタル（FGF）宇宙論モデルを構築。
• GRTとQFGTの古典的相対論的効果（例：近日点移動、時間遅延、レンス＝シルディング効果）および新しい量子的効果（例：スカラー重力放射、自己重力的ガス構造）に関する予測を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QFGTにおいて、重力場のエネルギー運動量は一貫して局所化可能であるか。これはGRTにおける主要な問題を解決する。
• RQ2 QFGTに存在するスピン0スカラー場が、中性子星やブラックホールのような強力な重力場において、GRTとは異なる観測可能なずれを引き起こすか。
• RQ3 重力波、X線スペクトル、ブラックホールの影といったマルチメッセンジャ観測が、GRTとQFGTの予測を区別できるか。
• RQ4 観測されたハッブル＝レミートルの法則が、膨張する空間を仮定せず、非膨張するミンコフスキー時空におけるグローバルな量子重力赤方偏移として説明可能か。これはFGFモデルで提唱されている。
• RQ5 QFGTにおけるポストニュートン補正項—重力場のエネルギー密度に起因—が、太陽系内または連星パルサー系で測定可能な効果を生じるか。

主な発見

• QFGTは、ポアンカレ対称性に基づき、局所化可能なエネルギー運動量および重力波に対する正のエネルギー密度を保証する一貫した量子場理論的枠組みを提供する。
• 物質エネルギー運動量テンソルのトレースが、QFGTにおいて動的スピン0スカラー場を生成する。これはGRTに存在せず、スカラー重力放射を介して検証可能である。
• QFGTは、すべての古典的相対論的重力効果（例：近日点移動、時間遅延、レンス＝シルディング効果）を再現するが、ポアンカレ力および回転する物体の並進運動といった新しい予測も含む。
• QFGTにおけるフィールド重力フラクタル（FGF）モデルは、局所宇宙における赤方偏移-距離の線形関係を、膨張する空間を仮定せずに、グローバルな量子重力赤方偏移として説明する。
• アドバンスドLIGO-Virgoによる重力波の検出が、GRTに存在しないQFGTの主要予測であるスカラー重力放射の存在を検証可能である。
• QFGTは、事象の地平線を持たない相対論的コンパクト天体（RCO）の存在を許容する。これはブラックホールとは異なる代替案であり、EHTによる降着円盤および相対論的ジェットの観測で検証可能である。