[論文レビュー] Gravity and the Tenacious Scalar Field

Carl H. Brans|ArXiv.org|May 26, 1997

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、ニュートン力学から現代の超弦理論および宇宙論に至るまで、スカラー場が重力理論において果たした歴史的役割をレビューする。実験的制約にもかかわらず、スカラー場の理論的魅力が一貫して持続していることを強調し、特にディラトンおよびインフレートンモデルにおけるその再発見を示し、理論的および実験的挑戦が繰り返されても、素粒子物理学における『粘り強い』要素としてスカラー場の役割を位置づけている。

ABSTRACT

Scalar fields have had a long and controversial life in gravity theories, having progressed through many deaths and resurrections. The first scientific gravity theory, Newton's, was that of a scalar potential field, so it was natural for Einstein and others to consider the possibility of incorporating gravity into special relativity as a scalar theory. This effort, though fruitless in its original intent, nevertheless was useful in leading the way to Einstein's general relativity, a purely two-tensor field theory. However, a universally coupled scalar field again appeared, both in the context of Dirac's large number hypothesis and in five dimensional unified field theories as studied by Fierz, Jordan, and others. While later experimentation seems to indicate that if such a scalar exists its influence on solar system size interactions is negligible, other reincarnations have been proposed under the guise of dilatons in string theory and inflatons in cosmology. This paper presents a brief overview of this history.

研究の動機と目的

• ニュートン力学から現代の統一場理論に至るまで、重力理論におけるスカラー場の歴史的発展をたどること。
• ディラックの巨大数仮説および5次元統一理論の文脈におけるスカラー場の理論的動機を検討すること。
• 現代物理学におけるスカラー場の持続的関与を分析すること。具体的には、超弦理論におけるディラトンとインフレーション宇宙論におけるインフレートンを対象とする。
• 特に太陽系スケールの現象におけるスカラー場の実験的制約を評価すること。
• 理論的および実験的挑戦が繰り返されても、スカラー場が理論物理学において『粘り強い』概念として位置づけられる背景を文脈づけて説明すること。

提案手法

• ニュートンのスカラーポテンシャルにさかのぼる重力理論におけるスカラー場理論の歴史的発展を調査すること。
• スカラー理論からアインシュタインの一般相対性理論（2つのテンソル場理論）への移行を分析すること。
• ファイエルツ、ヨルダン、および他の研究者らによって提唱された5次元カラビ＝ヤウ理論および統一場理論の文脈におけるスカラー場の再発見を検討すること。
• ディラックの巨大数仮説におけるスカラー場の役割と、宇宙定数に与える影響をレビューすること。
• 超弦理論におけるスカラー場の役割（ディラトン）およびインフレーション宇宙論におけるスカラー場の役割（インフレートン）の出現を議論すること。
• 太陽系における重力の実験的検証から得られるスカラー場の制約を評価し、その物理的妥当性を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的および実験的挑戦にもかかわらず、なぜスカラー場が繰り返し基本的重力理論に登場し続けたのか。
• RQ2 統一場理論および宇宙論の文脈において、スカラー場を再導入するにあたっての主な理論的動機は何だったのか。
• RQ3 超弦理論におけるスカラー場（ディラトン）と初期宇宙宇宙論におけるスカラー場（インフレートン）は、初期のスカラー重力モデルとどのように異なるか。
• RQ4 特に太陽系における観測結果が、動的なスカラー場の存在をどの程度制約しているか。
• RQ5 実証的制限があるにもかかわらず、なぜ現代物理学においてスカラー場が理論的に魅力的で続けているのか。

主な発見

• スカラー場は、一般相対性理論に取って代わられる以前から、ニュートンのスカラーポテンシャルにさかのぼる重力理論の基盤的役割を果たしてきた。
• 初期のスカラー重力理論の失敗が、アインシュタインが2つのテンソル場理論として一般相対性理論を発展させる道を切り開いた。
• ディラックの巨大数仮説およびファイエルツ、ヨルダンらによる5次元統一場理論の文脈で、スカラー場が再び登場した。
• 現代物理学では、超弦理論におけるディラトンとインフレーション宇宙論におけるインフレートンとして、スカラー場が再び導入されており、理論的関連性が継続していることを示している。
• 理論的再発見がなされたにもかかわらず、実験的データ（特に太陽系の重力実験）は、スカラー場が大規模スケールでの重力的相互作用に与える影響が無視できるほど小さいことを示している。
• スカラー場は、理論的および実験的挑戦が繰り返されても、理論物理学において『粘り強い』概念として、複数の世代にわたる物理理論にわたり持続している。