[논문 리뷰] Gravity and the quantum vacuum inertia hypothesis. 1. Formalized groundwork for extension to gravity

Alfonso Rueda, B. M. Haisch외 1명|arXiv (Cornell University)|2001. 08. 09.

Relativity and Gravitational Theory참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 관성의 기원이 기본 입자들이 전자기 양자 진공과 상호작용함으로써 발생한다고 제안하며, 특히 가속하는 관성계에서 나타나는 린들러 플럭스(relativistic radiation pressure 효과)를 통해 이를 설명한다. 이 양자 진공 관성 메커니즘은 관성 질량과 만유인력 질량의 등가성을 자연스럽게 재현함으로써 일반 상대성 이론 내에서 약한 등가원리의 물리적 기반을 제공한다.

ABSTRACT

It has been shown [1,2] that the electromagnetic quantum vacuum makes a contribution to the inertial mass, $m_i$, in the sense that at least part of the inertial force of opposition to acceleration, or inertia reaction force, springs from the electromagnetic quantum vacuum. As experienced in a Rindler constant acceleration frame the electromagnetic quantum vacuum mainfests an energy-momentum flux which we call the Rindler flux (RF). The RF, and its relative, Unruh-Davies radiation, both stem from event-horizon effects in accelerating reference frames. The force of radiation pressure produced by the RF proves to be proportional to the acceleration of the reference frame, which leads to the hypothesis that at least part of the inertia of an object should be due to the interaction of its quarks and electrons with the RF. We demonstrate that this quantum vacuum inertia hypothesis is consistent with general relativity (GR) and that it answers a fundamental question left open within GR, viz. is there a physical mechanism that generates the reaction force known as weight when a specific non-geodesic motion is imposed on an object? The quantum vacuum inertia hypothesis provides such a mechanism, since by assuming the Einstein principle of local Lorentz-invariance (LLI), we can immediately show that the same RF arises due to curved spacetime geometry as for acceleration in flat spactime. Thus the previously derived expression for the inertial mass contribution from the electromagnetic quantum vacuum field is exactly equal to the corresponding contribution to the gravitational mass, $m_g$. Therefore, within the electromagnetic quantum vacuum viewpoint proposed in [1,2], the Newtonian weak equivalence principle, $m_i=m_g$, ensues in a straightforward manner.

연구 동기 및 목표

• 일반 상대성 이론의 기하학적 가정을 넘어서 관성의 물리적 메커니즘을 확립하기 위해.
• 비지지적 운동을 하는 물체가 정지해 있을 때 발생하는 반작용력(무게)이 무엇에 의해 발생하는지 밝히기 위해.
• 양자 진공이 관성 질량에 기여하는 정도가 중력 질량에 기여하는 정도와 정확히 일치함을 보여주어 약한 등가원리를 정당화하기 위해.

제안 방법

• 가속하는 관성계에서의 에너지-운동량 플럭스로서 린들러 플럭스(RF)를 수학적으로 정의하기.
• 아인슈타인의 국소 로렌츠 불변성 원리를 적용하여 RF를 평탄한 시공간에서 곡률이 있는 시공간으로 확장하기.
• RF로부터 복사 압력력을 유도하고, 이가 가속도에 비례함을 보여주기.
• RF를 이용해 관성 반작용력을 양자 진공 상호작용에서 기인된 것으로 모델링하기.
• 동일한 물리적 가정 하에 관성 질량에 기여하는 양자 진공 기여도와 중력 질량에 기여하는 기여도를 비교하기.
• 이 두 기여도의 등가성이 직접적으로 약한 등가원리로 이어짐을 보여주기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시공간에서 지지적 경로를 따라가지 못하게 막힌 물체가 무게로 알려진 반작용력을 경험할 때, 그 원인이 되는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 전자기적 양자 진공은 가속하는 관성계에서 관성의 기원에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 관성 질량과 중력 질량의 등가성이 기하학적 가정이 아닌 양자 진공 기반 메커니즘으로 유도될 수 있는가?
• RQ4 중력에 의한 곡률이 있는 시공간에서 린들러 플럭스는 비슷한 대응을 가지는가?
• RQ5 양자 진공이 관성에 기여하는 방식은 일반 상대성 이론의 원리와 일관성이 있는가?

주요 결과

• 가속하는 관성계에서 사건의 지평선 효과에 기인한 린들러 플럭스는 가속도에 비례하는 복사 압력력을 생성한다.
• 이 힘은 관성 반작용력의 물리적 기원을 제공하며, 관성을 양자 진공과의 상호작용으로 설명한다.
• 국소 로렌츠 불변성의 가정 하에, 이 린들러 플럭스는 평탄한 시공간과 곡률이 있는 시공간에서 동일하게 나타나며, 가속도와 중력을 연결한다.
• 전자기적 양자 진공이 관성 질량에 기여하는 정도는 정확히 중력 질량에 기여하는 정도와 같다.
• 이 두 기여도의 등가성이 직접적으로 뉴턴의 약한 등가원리인 $ m_i = m_g $로 이어지며, 추가적인 가정이 필요로 하지 않는다.
• 양자 진공 관성 가설은 일반 상대성 이론과 완전히 일치하며, 비지지적 운동에서 설명되지 않는 반작용력에 대한 메커니즘을 제공한다.