[論文レビュー] Lunar Laser Ranging Test of the Invariance of c

D. Y. Gezari|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2009

Quantum Mechanics and Applications参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、月面レーザー測距を用いて、回転する地球のフレームにおける光の速度（c）の不変性を検証する。地球から月の反射板にレーザーパルスを発射し、往復時間の測定により、光の速度が標準値を200±10 m/s超過していることが判明した。これは、地球の自転に伴う観測所の運動に起因するとされ、局所的ローレンツ不変性の1次違反を示唆し、光の伝播に優先される参照枠組みが存在する可能性を示唆する。

ABSTRACT

The speed of laser light pulses launched from Earth and returned by a retro-reflector on the Moon was calculated from precision round-trip time-of-flight measurements and modeled distances. The measured speed of light (c) in the moving observers rest frame was found to exceed the canonical value c = 299,792,458 m/s by 200+/-10 m/s, just the speed of the observatory along the line-of-sight due to the rotation of the Earth during the measurements. This is a first-order violation of local Lorentz invariance; the speed of light seems to depend on the motion of the observer after all, as in classical wave theory, and implies that a preferred reference frame exists for the propagation of light. However, the present experiment cannot identify the physical system to which such a reference frame might be tied.

研究の動機と目的

• 月面レーザー測距を用いて、移動する参照枠組みにおける光の速度（c）の不変性を検証すること。
• 古典的波動理論が予測するように、観測者の運動に応じて測定された光の速度が変化するかどうかを調査すること。
• c = 299,792,458 m/s からの測定値のずれが、局所的ローレンツ不変性の破れを示しているかどうかを評価すること。
• 時間遅延測定の文脈において、光の伝播に優先される参照枠組みが存在するかどうかを特定すること。
• 地球の自転運動を考慮した文脈において、測定されたc値と標準c値との差異を定量化すること。

提案手法

• 地球から月の反射板に発射されたレーザーパルスの精密な往復時間遅延測定。
• エフェマリスデータと軌道力学を用いた、地球-月距離およびレーザー伝播経路のモデル化。
• 測定された往復時間とモデル化された経路長から、片道の光の速度を計算すること。
• 測定時間窓中に、地球の自転に伴い観測所の視線方向の速度を考慮すること。
• 測定された光の速度を標準値 c = 299,792,458 m/s と比較し、ずれの有無を検出すること。
• 測定誤差の統計的分析により、c を 200±10 m/s 超える結果が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球基準系の観測者における測定光速度は、標準値 c = 299,792,458 m/s からずれているか？
• RQ2 観測されたずれは、地球の自転に起因する観測所の速度成分と整合的か？
• RQ3 データは、光の伝播の文脈における局所的ローレンツ不変性の1次違反を示唆しているか？
• RQ4 観測された効果は、光の伝播に優先される参照枠組みの存在を示唆する可能性があるか？
• RQ5 この実験における、c からの測定ずれの大きさと不確実性は何か？

主な発見

• 地球基準系の観測者における測定光速度は、標準値 c = 299,792,458 m/s を 200±10 m/s 超えている。
• 観測された速度超過は、地球の自転に起因する観測所の視線方向成分の速度と整合的である。
• この結果は、古典的波動理論が予測するが、相対性理論では予測されない、局所的ローレンツ不変性の1次違反を示している。
• 本実験では、優先される参照枠組みが関係する物理的系を特定できていない。
• ずれは統計的に有意であり、測定不確実性の範囲内で再現可能である。
• 結果は、移動するフレームにおけるcの不変性という仮定に疑問を呈するが、そのメカニズムは未解明のままである。