[論文レビュー] Weightlessness of photons: A quantum effect

Ari Brynjolfsson|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2004

Quantum and Classical Electrodynamics参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、太陽から地球へと伝播する過程で重力赤方偏移が量子力学的逆転を起こすため、局所的参照枠において光子が重力的質量を持たないとして提唱している。これは光子に対するアインシュタインの等価原理に反する。この量子効果に加え、プラズマ赤方偏移が加わることで、観測された太陽のフローレンホーファー線の赤方偏移は、重力的要因ではなくプラズマ起因であると解釈され、古典的重力赤方偏移実験の解釈を揺るがし、光子が『ブラックホール』に類する領域からも脱出可能である可能性を示唆する。

ABSTRACT

Contrary to general belief, the Fraunhofer lines have been found to be plasma redshifted and not gravitationally redshifted, when observed on Earth. Quantum mechanical effects cause the photons' gravitational redshift to be reversed as the photons move from the Sun to the Earth. The designs of the experiments, which were thought to have proven the gravitational redshift of photons, are all in the domain of classical physics, and make it impossible to detect the reversal of the gravitational redshifts. The solar redshift experiments, however, are in the domain of quantum mechanics; and the reversal of the redshift is easily detected, when the plasma redshift is taken into account. The photons are found to be weightless relative to a local observer, but repelled relative to a distant observer. The weightlessness of the photons in the gravitational field relative to a local observer is inconsistent with Einstein's equivalence principle. This together with the plasma redshift has profound consequences for the cosmological perspectives. This article gives a theoretical explanation of the observed phenomena, proper interpretation of the many gravitational redshift experiments, and an understanding of how we missed observing the reversal of photons' gravitational redshift. The present analysis indicates that although the photons are weightless in a local system of reference, the experimental evidence indicates that quasi-static electromagnetic fields are not weightless, but adhere to the principle of equivalence.

研究の動機と目的

• 観測された太陽のフローレンホーファー線の赤方偏移と、古典的一般相対性理論による予測との乖離を解消すること。
• 重力赤方偏移実験（例えばパウンド＝レブカ実験）が、光子の伝播中に赤方偏移の逆転を検出できなかった理由を説明すること。
• 太陽光子の観測されたプラズマ赤方偏移を、量子力学的原理と調和させることで、光子の重力的性質の古典的解釈に挑戦すること。
• 質量を持つ粒子や電磁場に対しては成立するが、光子に対しては成立しない等価原理の妥当性を再評価すること。
• 量子修飾重力と極限的な重力場近くでの連続的物質再生に基づき、ダークエネルギーやブラックホールを含まない宇宙論的モデルを提唱すること。

提案手法

• 一般相対性理論における修正された計量テンソルを用いて、重力場内での光子のエネルギーおよび周波数の変化を分析し、量子力学的効果を組み込む。
• ハミルトニアン形式を用いて、重力ポテンシャル内での光子エネルギーの変化をモデル化し、局所的観測者と遠方観測者のフレームを区別する。
• 重力赤方偏移の伝播中における逆転を説明するため、量子力学的に修正された一般相対性理論（修正GTR）を導入する。
• 古典的実験（例：パウンド＝レブカ）と太陽赤方偏移観測を対比し、実験では短い光子伝播時間のため赤方偏移の逆転が検出できないことを示す。
• プラズマ赤方偏移理論を用いて、観測された太陽線のシフトを、重力的赤方偏移ではなく、光子と太陽コロナとの相互作用に起因すると説明する。
• 電磁場に対する等価原理を評価し、電子や原子核の電磁場に対しては成立するが、光子に対しては成立しないことを示す。これは、重力が異なるエネルギー形態とどのように結合するかの根本的差異を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ太陽のフローレンホーファー線は、重力赤方偏移の予測と一致しない赤方偏移を示すのか？
• RQ2 光子が太陽から地球へ伝播する過程で、重力赤方偏移がどのように逆転するのか、そしてその物理的メカニズムは何か？
• RQ3 パウンド＝レブカのような古典的実験が、光子の伝播中に重力赤方偏移の逆転を検出できないのはなぜか？
• RQ4 局所的重力場内での光子の量子的無重力性を踏まえると、等価原理は光子に適用可能か？
• RQ5 光子の無重力性とプラズマ赤方偏移の宇宙論的意味は何か。特に、ブラックホールおよび宇宙の本質に関してどのような示唆があるか？

主な発見

• 太陽の光球で発せられた光子の重力赤方偏移は、地球への伝播中に量子力学的効果により逆転し、局所的参照枠において光子は無重力として見える。
• 地球で観測される太陽のフローレンホーファー線は、重力的赤方偏移ではなく、プラズマ赤方偏移によるものであり、長年の仮定とは矛盾する。
• パウンドやレブカ Jr. のような古典的実験では、光子の伝播時間（22.5 mの高さ差）が短すぎるため、重力赤方偏移の逆転を検出できない。最小検出可能な高さ差は約700 mである。
• 遠方観測者から見た場合、光子は重力に反発的に作用し、重力的引力と大きさは同じだが方向が逆である。これは、量子的無重力性を示唆する。
• 等価原理は光子に適用されないが、電子や原子核の電磁場に対しては成立する。これは、重力が異なるエネルギー形態とどのように結合するかの根本的差異を示している。
• このモデルにより、ダークエネルギーやブラックホールの必要性が排除され、光子を介したプロセスにより極限的重力場近くで物質が連続的に再生され得ることを示唆し、準静的で自己再生可能な宇宙の支持を示している。