[논문 리뷰] Pioneer acceleration and variation of light speed: experimental situation

Antonio Fernández Rañada|arXiv (Cornell University)|2004. 02. 26.

Relativity and Gravitational Theory참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 파이오니어 이상현상—약 ~8.5×10⁻¹⁰ m/s²의 일정한 태양 쪽 가속도로 관측됨—이 우주선의 역학이 아니라 우주적 원인에 기인한 빛의 속도의 단절적인 가속도에 기인한다고 제안한다. 이는 우주의 팽창으로 인해 양자 진공의 광학 밀도가 감소함에 따라 예측되는 모델에 기반한다. 이 모델은 시간에 따라 변하는 빛의 속도를 통해 관측된 라디오 신호의 선형적으로 증가하는 청색 시프트를 설명하며, 미세구조 상수의 변화가 무시할 만큼 작다면 상대성 이론 검증 결과와도 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 파이오니어 우주선의 모델링되지 않은 가속도를 우주적, 단절적인 빛의 속도 증가의 결과로 설명하는 것.
• 이 빛의 속도 변화가 특수 상대성 이론, 약한 등가 원리, 국소 로렌츠 불변성의 실험적 제약과 어떻게 일치하는지 확인하는 것.
• 우주선에서의 관측된 라디오 신호의 선형적으로 증가하는 청색 시프트가 ~8.5×10⁻¹⁰ m/s²의 빛의 속도 가속도에 의해 예측된 효과와 일치하는지 보여주는 것.
• 기존의 중력 적색이동, 레이더 시간 지연, 히ュ즈-드레버 실험과의 모델 일치성 평가

제안 방법

• 우주의 팽창으로 인해 양자 진공의 허용도와 투자도가 단절적으로 감소함에 따라 증가하는 빛의 속도를 유도하는 뉴턴적 현상학적 모델을 제안한다.
• 헤블 상수와 아인슈타인의 1907년 중력이 빛의 속도에 미치는 영향에 대한 통찰에서 유도된 시간에 따라 변하는 빛의 속도 변화 aₗ ≈ 10⁻⁹ m/s²를 도입한다.
• 중력 포텐셜과 진공의 광학 밀도 사이의 관계를 이용해 좌표 시간에 대한 진공 시간의 진동수 가속도를 유도한다.
• 일반 상대성 이론의 추론을 적용하여 예측된 빛의 속도 가속도가 중력 적색이동 공식과 일치함을 보여준다.
• 중력 적색이동(광학, 미세구조, 핵 감마, 초미세구조), 레이더 시간 지연, 에오티로스 유사 실험의 실험 데이터와 예측을 비교한다.
• 미세구조 상수의 변화가 ξ ≤ 3×10⁻⁵ 이내일 경우에 모델이 약한 등가 원리와 국소 로렌츠 불변성과 일치하는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파이오니어 이상현상이 중력적 또는 기계적 힘이 아닌 우주적 원인에 기인한 빛의 속도 증가로 설명될 수 있는가?
• RQ2 시간에 따라 변하는 빛의 속도는 깊은 우주 라디오 신호의 관측 주파수 이동에 어떤 영향을 미치며, 관측된 선형적으로 증가하는 청색 시프트와 일치하는가?
• RQ3 제안된 빛의 속도 변화는 특수 상대성 이론과 약한 등가 원리의 실험적 검증과 호환되는가?
• RQ4 이 모델은 미세구조 상수의 변화에 대해 어떤 제약을 둔다. 그리고 원자 스펙트럼과 옥로 반응기의 관측 한계와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ5 이 모델은 일반 상대성 이론 내부에 일관되게 통합될 수 있으며, 표준 일반 상대성 이론과 동일한 빛의 경로를 예측하는가?

주요 결과

• 모델은 aₗ ≈ 8.5×10⁻¹⁰ m/s²의 빛의 속도 가속도를 예측하며, 이는 관측된 파이오니어 이상현상의 가속도 aₚ와 일치한다.
• 파이오니어 우주선에서의 라디오 신호에 관측된 선형적으로 증가하는 청색 시프트는 시간에 따라 변하는 빛의 속도의 결과로 설명되며, dν/dt = ν·aₚ/c 로 표현된다.
• 미세구조 상수의 변화가 ξ ≤ 3×10⁻⁵ 이내일 경우 모델은 중력 적색이동 실험과 일치한다. 이는 현재의 관측 한계 내에 있다.
• 우주의 미세구조 상수 변화가 무시할 만큼 작거나 매우 작다면, 모델은 약한 등가 원리와 국소 로렌츠 불변성과 일치한다.
• 1983년 빛의 속도 c가 고정된 이래로 예상되는 빛의 속도 변화는 약 56 cm/s이며, 고정밀 실험으로 측정 가능한 것으로 간주된다.
• 매개변수 χ = 1 이고, 미세구조 상수 변화 ξ 가 0 또는 매우 작을 경우 모델은 일반 상대성 이론과 일치하며, GPS와 레이더 시간 지연의 표준 예측을 유지한다.