[논문 리뷰] The Pioneer anomaly as an effect of the dynamics of time

Antonio Fernández Rañada|arXiv (Cornell University)|2004. 03. 02.

Computational Physics and Python Applications참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 파이오니어 이면현상—라디오 신호에서 관측된 일정한 청색 시프트—이 우주선의 실제 가속도가 아니라 시간의 역학에서 기인한다고 제안한다: 우주적 고유시간 τ가 좌표 시간 t에 대해 가속되며, 이로 인해 비고유속도인 빛의 속도(c = dℓ/dt)가 단절적으로 증가한다. 이 모델은 약 10.4×10⁻¹⁰ m/s²의 빛의 속도 가속도를 예측하며, a_P = a_ℓ/2일 경우 관측된 이면현상과 일치하여, 우주의 배경 중력포텐셜에 뿌리를 두고 있는 상대론적 설명을 제공한다.

ABSTRACT

A model is presented in which the Pioneer anomaly is not related to the motion of the spaceship, but is a consequence of the acceleration of the cosmological proper time $τ$ with respect to the coordinate parametric time $t$, what is an effect of the background gravitational potential of the entire universe. The light speed, while being constant if defined with respect to $τ$ ({\it i. e.} as ${ m d}\ell /{ m d} τ$), would suffer an adiabatic secular acceleration, $a_\ell={ m d}c/{ m d}t >0$, if defined in terms of $t$ ({\it i. e.} as ${ m d}\ell /{ m d} t$). Such an adiabatic acceleration of light, and a small acceleration of the Pioneer towards the Sun $a_{ m P}$ could be mistaken the one for the other, because they do have the same fingerprint: a blue shift. However, this shift would be quite unrelated to any anomalous motion of the Pioneer, being just an observational effect of the acceleration of light with respect to time $t$. The Pioneer anomaly turns out then to be an interesting case of the dynamics of time, its explanation involving the interplay between the two times $τ$ and $t$.

연구 동기 및 목표

• 기존 뉴턴역학 모델을 상대론적으로 확장하여 파이오니어 이면현상을 시간 역학으로 설명하는 것을 목적으로 한다.
• 관측된 청색 시프트가 우주선 운동이 아니라 비고유속도인 빛의 속도 c(t) = dℓ/dt의 시간 도함수에 기인함을 기반으로 이면현상을 해결하는 것.
• 관측된 이면현상이 우주적 고유시간 τ가 좌표 시간 t에 대해 가속됨에 따라 발생하며, 즉 d²τ/dt² > 0임을 보여주는 것.
• c(t)의 지속적인 증가가 우주선의 일정한 내향 가속도와 동일한 관측적 특징을 나타내며, 통합된 설명을 제공하는 것.
• 고유속도인 빛의 속도 c* = dℓ/dτ는 일정하게 유지되며 일반 상대성 이론을 유지하지만, c(t)는 전역 중력포텐셜의 진화로 인해 변한다는 것을 입증하는 것.

제안 방법

• 빛의 속도를 두 가지 정의로 도입한다: c* = dℓ/dτ (일정한 고유속도)와 c = dℓ/dt (시간에 따라 변하는 비고유속도).
• τ = τ(t)의 관계를 τ = ∫₀ᵗ e^{Ψ(t)} dt로 모델링하며, 여기서 Ψ(t) = Φ_av(t)/c²(t)는 정규화된 배경 포텐셜이다.
• 비고유속도인 빛의 속도를 c(t) = c* √g₀₀ ≈ c₀ [1 + Φ(r,t)/c₀²]로 유도하며, 여기서 Φ(r,t)는 주로 평균 우주적 포텐셜 Φ_av(t)에 의해 지배된다.
• c(t)의 시간 도함수를 계산하여 비고유가속도 a_ℓ = dc/dt = a_t c₀를 도출하며, 여기서 a_t = dΨ/dt이다.
• 균일한 물질 분포와 근사 뉴턴역학 조건을 사용하여 a_ℓ ≈ 10.4×10⁻¹⁰ m/s²로 추정한다.
• 유도된 청색 시프트가 관측된 도플러 시프트와 일치하며, a_P = a_ℓ/2이므로 이는 시간 역학의 운동학적 효과로 설명됨을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 물리학이나 우주선에 대한 모델링되지 않은 힘을 도입하지 않고도 파이오니어 이면현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 관측된 청색 시프트가 우주선의 가속도가 아니라 비고유속도인 빛의 속도 c(t) = dℓ/dt의 시간 변화에 기인하는가?
• RQ3 관측된 이면현상이 좌표 시간 t에 대해 가속하는 우주적 고유시간 τ와 일치하는가?
• RQ4 c(t)의 지속적인 증가가 우주선의 일정한 내향 가속도와 동일한 관측적 특징을 낳을 수 있는가?
• RQ5 우주의 배경 중력포텐셜이 c(t)의 시간 도함수를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 비고유속도인 빛의 속도 c(t) = dℓ/dt는 우주의 증가하는 배경 중력포텐셜 Φ_av(t)로 인해 지속적인 단절적 가속도 a_ℓ = dc/dt ≈ 10.4×10⁻¹⁰ m/s²를 보인다.
• 관측된 파이오니어 이면현상은 일정한 내향 가속도 a_P ≈ 8.74×10⁻¹⁰ m/s²로 해석되며, a_P = a_ℓ/2임을 보여주어 이는 이면현상이 실제가 아니라 시간 역학의 산물임을 시사한다.
• 이 모델은 청색 시프트를 우주선 운동이 아니라 c(t)의 시간 도함수에 기인한다고 기인하며, 표준 중력 궤도를 유지한다.
• 고유속도인 빛의 속도 c* = dℓ/dτ는 일정하게 유지되어 일반 상대성 이론과의 일치성을 보장하지만, c(t)는 τ(t)의 역학으로 인해 변한다.
• 좌표 시간 t에 대해 우주적 고유시간 τ의 가속도 d²τ/dt² > 0이 근본 원인으로서, 이는 증가하는 정규화된 포텐셜 Ψ(t) = Φ_av(t)/c²(t)에서 기인한다.
• 이 모델은 매년 약 3.3 cm/s의 측정 가능한 c(t) 증가를 예측하며, 이는 관측된 이면현상의 크기와 일치한다.