[論文レビュー] Lunar Laser-Ranging Detection of Light-Speed Anisotropy and Gravitational Waves

Reginald T. Cahill|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2010

Planetary Science and Exploration参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、光の速度の非等方性および動的3次元空間内の重力波に類似した乱流を、光子の伝播時間の変動を用いて、月レーザー測距（APOLLO）データから検出可能であると提唱している。一貫した486–490 km/sの非等方性速度ベクトルが報告され、フラクチュエーション効果が大振幅の重力波に類似た乱流の証拠として確認され、標準的な干渉計のゼロ結果解釈に挑戦する。

ABSTRACT

The Apache Point Lunar Laser-ranging Operation (APOLLO), in NM, can detect photon bounces from retro-reflectors on the moon surface to 0.1ns timing resolution. This facility enables not only the detection of light speed anisotropy, which defines a local preferred frame of reference - only in that frame is the speed of light isotropic, but also fluctuations/turbulence (gravitational waves) in the flow of the dynamical 3-space relative to local systems/observers. So the APOLLO facility can act as an effective "gravitational wave" detector. A recently published small data set from November 5, 2007, is analysed to characterise both the average anisotropy velocity and the wave/turbulence effects. The results are consistent with some 13 previous detections, with the last and most accurate being from the spacecraft earth-flyby Doppler-shift NASA data.

研究の動機と目的

• APOLLOの高精度月レーザー測距データが、光の速度非等方性およびそれに伴う重力波に類似した揺らぎを検出できるかどうかを調査すること。
• 真空中モードの干渉計によるゼロ結果と、ガスモードや他の実験で繰り返し非ゼロ検出が得られたという長年の矛盾を解消すること。
• 光子往復時間の時間揺らぎを測定することによって、APOLLO施設が効果的な重力波検出器として機能することを示すこと。
• 動的3次元空間が定義する優先フレームの存在を検証すること。これはCMBダイポールフレームとは異なる。
• ミケルソン＝モーリー、ミラー、ドップラーシフト飛行測定などの歴史的非等方性検出結果を、空間が動的で構造的であるという新しい理論と調和させること。

提案手法

• 11月5日、2007年のAPOLLOの光子往復時間データを、0.1 nsの時間分解能で解析し、光の速度が等方的でない偏差を検出する。
• 光の速度が等方的であると仮定した3次元空間基準系において、地球-月間の光子軌道をモデル化し、コサイン定理を用いて非等方的条件下での伝播時間を計算する。
• 3次元空間に対して速度vで移動するAPO時計の相対論的時間遅延効果を考慮し、測定された伝播時間を√(1−v²/c²)で短縮する。
• 導出された式 t_AC = 2L/c + Lv_P²/c³ + ... を用い、伝播時間の方向および非等方性速度依存性を予測する。
• 観測された往復時間の変動を理論的予測と比較し、非等方性ベクトルの大きさと方向を推定する。
• 同様のモデルを用い、真空中モードのミケルソン干渉計が、ローレンツ収縮を含む微妙な設計上の欠陥により非等方性に対して根本的に感度が低いことを説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 月レーザー測距データは、3次元空間内に優先フレームが存在することを示唆する光の速度非等方性を検出可能か？
• RQ2 光子伝播時間の観測された揺らぎは、動的3次元空間内での重力波に類似した乱流に対応するか？
• RQ3 なぜ真空中モードのミケルソン干渉計は、他の実験で繰り返し非ゼロ検出が得られたにもかかわらず、ゼロ結果を示すのか？
• RQ4 ドップラーシフト飛行測定から事前に推定された486 km/sの非等方性速度ベクトルが、APOLLOレーザー測距データによって確認されるか？
• RQ5 APOLLO施設は、3次元空間内での重力波に類似した揺らぎを、数秒程度の時間分解能で検出可能な高時間分解能検出器として機能できるか？

主な発見

• APOLLOデータは、500秒間にわたり204メートルの線形的な往復光子伝播時間の短縮を示しており、これは地球の自転と一致し、光の速度非等方性が約486 km/sであることを裏付けている。
• 線形トレンドを除去した残差揺らぎは、非等方性ベクトルの方向に3°の変動と整合的であり、490 km/sの非等方性速度を支持する。
• データは、真空中モードの干渉計が、ローレンツ収縮を含むキャンセル効果により根本的に光の速度非等方性に対して感度が低いことを確認しており、これは以前に認識されていなかった設計上の欠陥である。
• APOLLO施設は、3次元空間内での重力波に類似した乱流を、数秒程度の時間分解能で検出可能であり、これにより新たな検出手法が提供される。
• 結果は、ミラーの1925/26年の観測や宇宙船飛行測定のドップラーシフト異常を含む13件の非等方性検出結果と整合的であり、CMBダイポールとは異なる優先フレームの存在を強化する。
• 解析は、空間が動的で構造的である3次元空間であり、重力が不均一な速度場における物質および放射の屈折から生じるという理論を支持する。