[論文レビュー] Light is Heavy

Martin B. van der Mark, G. W. ’t Hooft|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2015

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

ひとこと要約

この論文は、光が静止質量がゼロである一方で、エネルギーと運動量のおかげで慣性的・重力的質量を示すというパラドックスを検討し、アインシュタインの等価原理と調和させることを目的としている。概念的統合を通じて、光が静止質量ゼロであるが、重力的文脈では「重い」ものでなければならないことを示し、相対性理論の整合性について驚くべき洞察を提供する。

ABSTRACT

Einstein's relativity theory appears to be very accurate, but at times equally puzzling. On the one hand, electromagnetic radiation must have zero rest mass in order to propagate at the speed of light, but on the other hand, since it definitely carries momentum and energy, it has non-zero inertial mass. Hence, by the principle of equivalence, it must have non-zero gravitational mass, and so, light must be heavy. In this paper, no new results will be derived, but a possibly surprising perspective on the above paradox is given.

研究の動機と目的

• 光のゼロの静止質量とその重力的相互作用との間にある顕在的な矛盾を明確にすること。
• 電磁放射線が静止質量を持たないにもかかわらず、慣性的および重力的質量を有し得る仕組みを検討すること。
• 光が質量を有するかのように重力に応答するという事実を示すことで、アインシュタインの等価原理の整合性を強化すること。

提案手法

• 電磁放射線のエネルギー運動量テンソルを分析し、その慣性的質量に相当するものを導出すること。
• 等価原理を適用して、エネルギーと運動量が重力的質量を意味することを示すこと。
• 相対論的力学を用いて、光の運動量とエネルギーが非ゼロの重力的質量を意味することを示すこと。
• 特殊相対性理論および一般相対性理論の文脈において、静止質量、慣性的質量、重力的質量を比較すること。
• 有効質量の観点から、重力場内での光の伝播を再解釈すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーと運動量を有するにもかかわらず、静止質量がゼロである光が、どうして重力的に相互作用できるのか？
• RQ2 相対性理論の文脈において、エネルギー、運動量、重力的質量の関係は何か？
• RQ3 等価原理は、静止質量がゼロであるにもかかわらず、光が重力的質量を有すべきだと要求するのか？
• RQ4 慣性的質量の概念は、光子のような質量ゼロの粒子にどのように適用されるのか？
• RQ5 一般相対性理論の枠組みの中で、光が質量ゼロでありながら「重い」というパラドックスを解消できるか？

主な発見

• 光は静止質量がゼロであるが、エネルギーと運動量のおかげで非ゼロの慣性的質量を示す。
• 等価原理により、光がエネルギーを有する以上、非ゼロの重力的質量を有すべきであると示唆される。
• 電磁放射線は静止質量がゼロであるが、エネルギー運動量により時空の歪みに寄与する。
• 本論文は、『光は重力的文脈では重い』という事実を示すことで、パラドックスを解消している。これは静止質量ではなく、有効な重力的応答の観点からである。
• 概念的枠組みにより、一般相対性理論が質量ゼロの放射線に関して内部的に整合的であることが確認された。