[논문 리뷰] Attractive Heaviside-Maxwellian (Vector) Gravity from Special Relativity and Quantum Field Theory

Harihar Behera, N. Barik|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 17.

Relativity and Gravitational Theory참고 문헌 24인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 특수상대성 이론의 로렌츠 불변성과 양자장론에서 질량이 있는 중성 디랙 입자에 적용된 국소 게이지 불변성이라는 두 가지 독립적인 기초로부터 새로운 스핀-1 벡터 중력 이론인 헤비사이드-맥스웰 중력(HMG)을 유도한다. HMG에서는 같은 질량 간에 서로 끌어당김이 일어나며, 이는 전통적인 관점과는 반대되며, 헤비사이드의 중력 로렌츠 힘 법칙에 존재하는 부호 오류를 수정하고, 일관된 라그랑지안 형식을 통해 중력파가 양의 에너지를 지닌다는 것을 보장한다.

ABSTRACT

Adopting two independent approaches (a) Lorentz-invariance of physical laws and (b) local phase invariance of quantum field theory applied to the Dirac Lagrangian for massive electrically neutral Dirac particles, we rediscovered the fundamental field equations of Heaviside Gravity (HG) of 1893 and Maxwellian Gravity (MG), which look different from each other due to a sign difference in some terms of their respective field equations. However, they are shown to represent two mathematical representations of a single physical theory of vector gravity that we name here as Heaviside-Maxwellian Gravity (HMG), in which the speed of gravitational waves in vacuum is uniquely found to be equal to the speed of light in vacuum. We also corrected a sign error in Heaviside's speculative gravitational analogue of the Lorentz force law. This spin-1 HMG is shown to produce attractive force between like masses under static condition, contrary to the prevalent view of field theorists. Galileo's law of universality of free fall is a consequence of HMG, without any initial assumption of the equality of gravitational mass with velocity-dependent mass. We also note a new set of Lorentz-Maxwell's equations having the same physical effects as the standard set - a byproduct of our present study.

연구 동기 및 목표

• 스핀-1 중력 이론이 같은 질량 간에 반발력을 유도해야 한다는 오랜 역설을 해결하기 위해.
• 특수상대성 이론과 양자장론의 기본 원리로부터 일관된 벡터 중력 이론을 유도하기 위해.
• 헤비사이드의 추측적 중력 로렌츠 힘 법칙에 존재하는 부호 오류를 수정하기 위해.
• 갈릴레오의 자유낙하의 일반성은 질량 등가를 가정하지 않고도 HMG에서 자연스럽게 유도될 수 있음을 보여주기 위해.
• 평탄한 시공간에서 자유 중력장이 양의 에너지를 가지는 일관된 라그랑지안을 구성하기 위해.

제안 방법

• 질량이 있는 중성 디랙 입자의 역학에 로렌츠 불변성을 적용하여 헤비사이드 중력(HG)의 장 방정식을 도출하기 위해.
• 중성 질량이 있는 페르미온에 대한 디랙 라그랑지안의 국소 위상 불변성을 이용하여 맥스웰 중력(MG) 방정식을 도출하기 위해.
• 장 방정식에서 부호의 차이가 있음에도 불구하고 HG와 MG가 수학적으로 동치임을 보여, 통합된 이론인 HMG를 이끌어내기 위해.
• 양자장론 원리로부터 유도된 올바른 부호를 통해 헤비사이드의 중력 로렌츠 힘 법칙의 부호 오류를 수정하기 위해.
• 자유 중력장의 에너지 밀도가 양의 정의를 가지는 일관된 라그랑지안 밀도를 양자중력역학(QGD)에 대해 구성하기 위해.
• 라그랑지안이 올바른 장 방정식을 유도하고, 전파되는 중력파에 대해 양의 에너지를 보장함으로써, MTW의 벡터 중력 이론에서 음의 에너지 문제에 대한 우려를 해결하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-1 벡터 중력 이론이 같은 질량 간에 서로 끌어당김을 유도할 수 있는가? 이는 표준 장론 이론의 기대와는 정반대이다.
• RQ2 질량이 있는 중성 페르미온에 국소 게이지 불변성을 적용하여 일관된 양자장론적 유도가 가능한가?
• RQ3 중력의 로렌츠 힘 법칙에 대한 올바른 형태는 무엇이며, 헤비사이드의 원래 추측적 형태와 어떻게 다를까?
• RQ4 질량 등가를 가정하지 않고도, 벡터 중력 이론에서 갈릴레오의 자유낙하의 일반성이 도출될 수 있는가?
• RQ5 자유로운 중력파가 양의 에너지를 가지는 일관된 라그랑지안 형식이 평탄한 시공간에서 존재하는가?

주요 결과

• 논문은 로렌츠 불변성과 국소 게이지 불변성이라는 두 가지 독립적인 기초로부터 헤비사이드-맥스웰 중력(HMG)을 도출하며, 정적 조건 하에서 같은 질량 간에 서로 끌어당김이 발생함을 보여준다.
• 헤비사이드의 중력 로렌츠 힘 법칙에 존재하는 부호 오류가 수정되어, 같은 질량 간에 정확한 끌어당김 힘이 도출된다.
• 갈릴레오의 자유낙하의 일반성은 질량 등가를 가정하지 않고도 HMG에서 자연스럽게 도출된다.
• 이 이론은 진공에서 중력파가 빛의 속도로 전파됨을 예측하며, 특수상대성 이론과 일치한다.
• 자유 중력장이 양의 에너지를 가지는 일관된 라그랑지안 밀도를 제안하며, MTW의 벡터 중력 이론에서 음의 에너지 문제에 대한 우려를 해결한다.
• HMG 이론이 장 방정식의 명백한 부호 차이에도 불구하고 헤비사이드 중력과 맥스웰 중력과 물리적으로 동치임을 보여준다.