[論文レビュー] Pioneer acceleration and variation of light speed: experimental situation

Antonio Fernández Rañada|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2004

Relativity and Gravitational Theory参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、観測された太陽方向の一定加速度 ~8.5×10⁻¹⁰ m/s² であるパイオニア異常が、宇宙船の力学的要因ではなく、宇宙の膨張に伴い量子真空の光学的密度が低下することで予測される、宇宙論的駆動の断熱的光速加速に起因すると提案する。このモデルは、時間に依存する光速を用いて、深宇宙の電波信号における観測された線形に増加するブルー・シフトを説明し、微小な精细構造定数の変化が許容される限り、相対性理論の実験的検証と整合的である。

ABSTRACT

The situation with respect to the experiments is presented of a recently proposed model that gives an explanation of the Pioneer anomalous acceleration $a_{ m P}$. The model is based on an idea already discovered by Einstein in 1907: the light speed depends on the gravitational potential $Φ$, so that it is larger the higher if $Φ$. The potential due to all the mass and energy in the universe increases in time because of its expansion, which has the consequence that light must be slowly accelerating. Moreover it turns out that the observational effects of a universal adiabatic acceleration of light $a_\ell =a_{ m P}$ and of an extra acceleration towards the Sun $a_{ m P}$ of a spaceship would be the same: a blue shift increasing linearly in time, precisely what was observed. The phenomenon would be due to a cosmological acceleration of the proper time of bodies with respect to the coordinate time. It is shown that it agrees with the experimental tests of special relativity and the weak equivalence principle if the cosmological variation of the fine structure constant is zero or very small, as it seems now.

研究の動機と目的

• パイオニア宇宙船の未モデル化された加速度を、光速の普遍的かつ断熱的な増加の結果として説明すること。
• 特殊相対性理論、弱い等価原理、局所ローレンツ不変性の実験的制約とこの光速変動を調和させること。
• 深宇宙の電波信号における観測されたブルー・シフトが、光速の加速度 ~8.5×10⁻¹⁰ m/s² に起因する予測と一致することを示すこと。
• このモデルが既存の重力赤方偏移、レーダ時間遅延、ハワーズ＝ドレイバー実験と整合するかを評価すること。

提案手法

• 宇宙の膨張に伴い、量子真空の誘電率と透磁率が断熱的に減少することで光速が増加する、ニュートン的現象論的モデルを提示する。
• ハッブル定数とアインシュタインが1907年に提唱した重力が光速に与える影響に基づき、時間に依存する光速変動 aₗ ≈ 10⁻⁹ m/s² を導出する。
• 重力ポテンシャルと真空の光学的密度の関係を用いて、座標時に対して固有時が宇宙論的加速度を受けることを導出する。
• 一般相対性理論の議論を適用し、予測される光速の加速度がアインシュタインの重力赤方偏移の公式と整合的であることを示す。
• 重力赤方偏移（光学的、微細構造、核ガンマ線、ハイパーファイン分裂）、レーダ時間遅延、エートヴォッシュ型実験からの実験データと予測を比較する。
• 微細構造定数の変動が ξ ≤ 3×10⁻⁵ に制限される場合に、モデルが弱い等価原理および局所ローレンツ不変性と整合的であるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パイオニアの異常加速度は、重力的または機械的力ではなく、宇宙論的駆動の光速増加によって説明可能か？
• RQ2 時間変動する光速は、深宇宙の電波信号における観測周波数シフトにどのように影響を与え、観測された線形に増加するブルー・シフトと一致するか？
• RQ3 提案された光速変動は、特殊相対性理論および弱い等価原理の実験的検証と整合的か？
• RQ4 このモデルは微細構造定数の変動にどのような制約を課し、原子スペクトルおよびオクロウ原子炉からの観測限界と比較してどうか？
• RQ5 このモデルは一般相対性理論に一貫して組み込まれるか？また、標準的一般相対性理論と同一の光の軌道を予測するか？

主な発見

• モデルは光速の加速度 aₗ ≈ 8.5×10⁻¹⁰ m/s² を予測し、観測されたパイオニア異常加速度 aₚ と一致する。
• パイオニア宇宙船からの電波信号における観測された線形に増加するブルー・シフトは、時間に依存する光速に起因するものであり、dν/dt = ν·aₚ/c で記述される。
• 微細構造定数の変動が ξ ≤ 3×10⁻⁵ に制限される限り、重力赤方偏移実験と整合的である。これは現在の観測限界内にある。
• 宇宙論的微細構造定数の変動が無視可能または非常に小さい場合、モデルは弱い等価原理および局所ローレンツ不変性と整合的である。
• 1983年（c が固定された年）以降の光速の変化は約56 cm/s であり、高精度実験で原理的に測定可能である。
• パrameter χ = 1 かつ微細構造定数の変動 ξ がゼロまたは非常に小さい場合、モデルは一般相対性理論と整合的であり、GPS やレーダ時間遅延の標準的予測を保持する。