[論文レビュー] Was Einstein Right? Testing Relativity at the Centenary

Clifford M. Will|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2005

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 69被引用数 42

ひとこと要約

この論文は、アインシュタインの相対性理論を支持する100年以上にわたる実験的検証をレビューし、弱い等価原理、局所ローレンツ不変性、局所位置不変性の高精度測定を通じてアインシュタイン等価原理を確認している。一般相対性理論は、弱いおよび強い重力場においても、重力の最も正確な計量理論のままであり、月レーザー測距、連星パルサー観測、将来の重力波検出器による予測からの逸脱に対する厳密な制約を通じて、その有効性が裏付けられている。

ABSTRACT

We review the experimental evidence for Einstein's special and general relativity. A variety of high precision null experiments verify the weak equivalence principle and local Lorentz invariance, while gravitational redshift and other clock experiments support local position invariance. Together these results confirm the Einstein Equivalence Principle which underlies the concept that gravitation is synonymous with spacetime geometry, and must be described by a metric theory. Solar system experiments that test the weak-field, post-Newtonian limit of metric theories strongly favor general relativity. The Binary Pulsar provides tests of gravitational-wave damping and of strong-field general relativity. Recently discovered binary pulsar systems may provide additional tests. Future and ongoing experiments, such as the Gravity Probe B Gyroscope Experiment, satellite tests of the Equivalence principle, and tests of gravity at short distance to look for extra spatial dimensions could constrain extensions of general relativity. Laser interferometric gravitational-wave observatories on Earth and in space may provide new tests of gravitational theory via detailed measurements of the properties of gravitational waves.

研究の動機と目的

• 100年間にわたる実験的検証の結果、アインシュタインの一般相対性理論および特殊相対性理論の経験的妥当性を評価すること。
• 弱い等価原理（WEP）、局所ローレンツ不変性（LLI）、局所位置不変性（LPI）の高精度な検証を通じて、アインシュタイン等価原理（EEP）の妥当性を評価すること。
• パラメータ化された後ニュートン的（PPN）パラメータを用いた太陽系の重力検証と、代替計量理論に対する制約を検討すること。
• 特にHulse-Taylor連星パルサーを含む連星パルサー系からの制約を通じて、一般相対性理論の重力波減衰と強力場における有効性を分析すること。
• 地上および宇宙用の検出器による将来的な重力波観測を通じて、重力の検証の可能性を検討すること。特に、質量のある重力子やスカラー・テンソル理論に対する制約を含む。

提案手法

• ねじり平衡実験（例：Eötvös、Eöt-Wash）による系統的レビューを通じて、Eötvös比ηを測定し、弱い等価原理の検証を行う。
• 月レーザー測距（LLR）データの分析により、地球と月の太陽への自由落下加速度の等価性を検証し、ηに対する厳密な制約を与える。
• パラメータ化された後ニュートン的（PPN）形式を用いて、太陽系の重力検証を分析し、一般相対性理論からの逸脱を弱い場、ゆっくり動く系の極限で制約する。
• 連星コンパクト天体の合体に伴う重力波信号にマッチドフィルタリング技術を適用し、双極子放射や質量のある重力子による位相のずれに起因する逸脱を検出する。
• 重力波の伝播および二重星系におけるエネルギー損失の理論的モデルを用いて、重力子のコンプトン波長λgおよびスカラー・テンソル結合パラメータの制約を導出する。
• 将来の検出器（LISAや高度なLIGO）が、コンパクト二重星の合体に伴う高SNR観測を通じて、質量のある重力子およびスカラー・テンソル重力理論に対する制約をどのように向上させられるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験室および月レーザー測距実験は、弱い等価原理をどの程度の精度で検証でき、現在のEötvös比に対する制約は何か？
• RQ2 太陽系実験は、パラメータ化された後ニュートン的（PPN）枠組みにおいて、一般相対性理論からの逸脱をどの程度制約しているか？
• RQ3 特にHulse-Taylor連星パルサーの観測は、重力波減衰と強力場における一般相対性理論の検証をどの程度可能にしているか？
• RQ4 重力波と電磁波の到着時刻の差異、または二重星合体における位相のずれを用いて、重力子の質量にどの程度の制約を課すことができるか？
• RQ5 将来的なLISAやLIGOによる重力波観測は、ブラックホール-中性子星連星における双極子放射効果を通じて、スカラー・テンソル理論をどの程度制約できるか？

主な発見

• Eötvös比は、ηEöt-Wash < 4 × 10⁻¹³およびηLLR < 5 × 10⁻¹³と制限され、現在のところ最も厳密な弱い等価原理の検証となっている。
• 太陽系の重力検証では、PPNパラメータγが|γ − 1| < 2.3 × 10⁻⁵と制限され、一般相対性理論が代替計量理論よりも強く支持されている。
• Hulse-Taylor連星パルサーは、一般相対性理論の予測値と0.2%以内の一致を示し、重力波の存在を間接的に裏付けている。
• コンパクト二重星合体の重力波観測により、重力子のコンプトン波長λgがLIGOでは4.6 × 10¹² km以上、LISAでは6.9 × 10¹⁶ km以上と制限される可能性がある。
• 将来のLISA観測により、ブラックホール-中性子星連星の観測を通じて、Brans-Dickeパラメータωが2.1 × 10⁴から2.1 × 10⁵の範囲に制限される可能性がある（スピン効果に依存）。
• 理論的分析により、質量のある重力子は重力波信号に周波数依存の位相シフトを引き起こすことが示され、高度な検出器におけるマッチドフィルタリングで検出可能である。