[論文レビュー] General Theory of Relativity: Will it survive the next decade?

Orfeu Bertolami, Jorge Páramos+1 more|ArXiv.org|Feb 4, 2006

Relativity and Gravitational Theory参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、高精度な宇宙ベースの実験を通じてアインシュタインの一般相対性理論（GR）の将来の妥当性を評価し、光干渉計測定法とレーザー距離測定法を用いた高精度なテストによってGRからのずれを検出することを提案している。LATORのようなミッションが、宇宙ベースのプラットフォームを活用して重力的効果を画期的な精度で探査し、等価原理の検証、スカラーフィールドの検出、GRを超える新しい重力的相互作用の探索を目的としている。

ABSTRACT

The nature of gravity is fundamental to our understanding of our own solar system, the galaxy and the structure and evolution of the Universe. Einstein's general theory of relativity is the standard model that is used for almost ninety years to describe gravitational phenomena on these various scales. We review the foundations of general relativity, discuss the recent progress in the tests of relativistic gravity, and present motivations for high-accuracy gravitational experiments in space. We also summarize the science objectives and technology needs for the laboratory experiments in space with laboratory being the entire solar system. We discuss the advances in our understanding of fundamental physics anticipated in the near future and evaluate discovery potential for the recently proposed gravitational experiments.

研究の動機と目的

• 今後10年間における、一般相対性理論がますます厳密な実験的検証に耐えられるかどうかを評価すること。
• 量子重力との不整合性、ダークエネルギー、スカラータンス理論など、GRを修正する理論的動機を特定すること。
• 高精度な宇宙ベースの実験を、相対論的重力の実験的検証の制御された実験室として推進すること。
• 安定レーザーとドラッグフリー制御系を含む、宇宙空間における重力の高精度なテストを可能にする技術の開発を前進させること。
• 太陽系スケールの実験が、GRを超える新しい物理現象、例えば新しい力や基本定数の変動を明らかにできる可能性を検討すること。

提案手法

• 一般相対性理論の検証を目的とした宇宙ベースの光干渉計測定実験として、LATOR（レーザー天測測距）ミッションを提案する。
• 単色レーザー信号と狭帯域フィルターを用いて、太陽の背景ノイズを低減し、太陽付近での高精度天測測定を可能にする。
• ヘテロダイン検出とコロナグラフ光学を活用して、極めて明るい光条件下でも信号対ノイズ比を向上させる。
• 地球の大気の影響を低減するため、国際宇宙ステーション（ISS）を安定したプラットフォームとして活用する。
• 深宇宙追跡と光学的手法を統合し、重力による光の屈折と時間遅れを0.1ミクロアーカー未塔の精度で測定する。
• ドラッグフリー技術と高安定周波数基準を統合することで、微小重力環境下での実験の安定性を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙空間における光学的手法を用いて、一般相対性理論をより高い精度で検証できるか？
• RQ2 スカラーフィールドや新しい長距離力の影響によって、一般相対性理論からのずれが検出可能か？
• RQ3 宇宙ベースの実験は、コスモロジカル定数問題を解消し、ダークエネルギーを解明できるか？
• RQ4 極端な重力場下でも、等価原理と基本定数の不変性が成り立つか？
• RQ5 太陽系内での実験室実験は、統一場理論が予測する新しい重力的相互作用を検出できるか？

主な発見

• 一般相対性理論は、ほぼ1世紀にわたり、すべての実験的検証に耐えてきたが、潜在的なずれを検出するためには、さらに高精度のテストが必要である。
• LATORミッションは、0.1ミクロアーカー未塔の天測精度を達成すると予想され、相対論的光の屈折を画期的な精度で検出可能となる。
• 光学的手法は、地球の大気由来のノイズを低減でき、太陽の縁付近の宇宙船観測を可能にし、電波ベースの手法の限界を克服する。
• 宇宙ベースの光干渉計測定法は、高帯域幅・低ノイズ通信を実現し、大型展開アンテナの必要性を排除する。
• 安定レーザー、周波数基準、ドラッグフリー制御系の組み合わせにより、宇宙空間における高精度な重力実験が現実可能となる。
• これらの実験は、スカラーフィールドや等価原理の破れといった、重力と量子力学を統一する手がかりとなる新しい物理現象を明らかにできる可能性を秘めている。