[论文解读] A Theory of Gravity and General Relativity based on Quantum Electromagnetism

J. X. Zheng-Johansson|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2006

Geophysics and Sensor Technology参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出了一种统一的量子-电磁引力理论与广义相对论，从极化介质真空中量子实体之间的去极化辐射（DR）洛伦兹力推导出牛顿引力和广义相对论效应。该理论在不引入几何曲率或假设的粒子的前提下，通过量子电动力学重现了广义相对论的全部四次经典检验——近日点进动、光线偏折、引力红移和 Shapiro 时间延迟。

ABSTRACT

Based on first principles solutions in a unified framework of quantum mechanics and electromagnetism we predict the presence of a universal attractive depolarisation radiation (DR) Lorentz force ($F$) between quantum entities, each being either an IED matter particle or light quantum, in a vacuuonic dielectric vacuum. Given two quantum entities $i=1,2$ of either kind, of characteristic frequencies $ν_i^0$, masses $m_i^0=hν_i^0 / c^2$ and separated at a distance r^0, the solution is $F=- G m_1^0 m_2^0/ (r^0)^2$, where $G= χ_0^2 e^4/12 π^2 ε_0^2 ρ_λ$, $χ_0$ is the susceptibility and $ρ_λ$ is the reduced linear mass density of the dielectric vacuum. This force $F$ is accurate at the weak $F$ limit and resembles in all respects Newton's gravity; hence $G$ is the gravitational constant. The DR wave fields and hence the gravity is propagated in the dielectric vacuum at the speed of light $c$; these can not be shielded by matter. A test particle $μ$ of mass $m^0$ at $r^0$ apart from a large mass $M$ is therefore gravitated by all of the building particles of M directly, by a total gravitational potential $V = -G M m^0/ r^0$. For a finite $V$ and hence a total Hamiltonian $H= m^0 c^2 +V$, solution for the eigenvalue equation of $μ$ presents a red-shift in the eigen frequency $ν= ν^0 (1- GM/r^0 c^2)$ and accordingly other wave variables. The quantum solutions combined with the wave nature of the gravity further lead to dilated gravito optical distance $r=r^0/(1- GM/r^0 c^2) $ and time $t=t^0/(1- GM/r^0 c^2) $, and modified Newton's gravity and Einstein's mass energy relation. Applications of these give predictions of the general relativistic effects manifested in the four classical test experiments of Einstein's general relativity (GR), in direct agreement with the experiments and the predictions given based on GR.

研究动机与目标

• 从极化真空中量子电磁学的第一原理出发，推导出牛顿引力和广义相对论效应。
• 通过将引力建立在电磁场动力学基础上，解决量子力学与广义相对论长期存在的不相容性问题。
• 提供一种非几何的、基于粒子与场的引力解释，避免引入引力子或额外维度等假设粒子。
• 利用统一的框架，基于量子电动力学与真空极化，重现广义相对论的全部四次经典检验。

提出的方法

• 推导出极化介质真空中量子实体（物质粒子或光子）之间普遍存在的吸引性去极化辐射（DR）洛伦兹力。
• 使用力定律 $ F = -\mathscr{G}m_1^0 m_2^0 / (r^0)^2 $，其中 $ \mathscr{G} = \chi_0^2 e^4 / (12\pi^2 \epsilon_0^2 \rho_\lambda) $，并将 $ \mathscr{G} $ 识别为引力常数 $ G $。
• 将引力建模为以速度 $ c $ 传播的波场，其由 DR 场构成，具有不可屏蔽性，并与相对论波传播一致。
• 对处于引力势中的测试粒子应用量子解，推导出本征频率 $ \nu = \nu^0 (1 - GM/r^0 c^2) $ 的红移及修正的能量关系。
• 引入膨胀的引力光学距离 $ r = r^0 / (1 - GM/r^0 c^2) $ 和时间 $ t = t^0 / (1 - GM/r^0 c^2) $，从而修改牛顿与相对论动力学。
• 将该框架应用于预测广义相对论的全部四次经典检验，均基于一致的量子-电磁波动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 牛顿引力和广义相对论效应是否能从不依赖几何曲率的统一量子-电磁框架中自然涌现？
• RQ2 量子实体之间的去极化辐射（DR）洛伦兹力是否能重现引力的平方反比定律及引力常数 $ G $？
• RQ3 引力红移、光线偏折、近日点进动和 Shapiro 时间延迟是否能从极化真空中的量子电磁波动力学中推导而出？
• RQ4 在此框架下，量子力学本征态与波变量在引力势作用下如何变换？
• RQ5 是否可以在不引入时空曲率或假设粒子（如引力子）的前提下，重现观测到的广义相对论效应？

主要发现

• 推导出的引力 $ F = -\mathscr{G}m_1^0 m_2^0 / (r^0)^2 $ 精确符合牛顿定律，且 $ \mathscr{G} $ 被识别为引力常数 $ G $，其由真空极化率和质量密度导出。
• 该理论对水星近日点进动的预测为 $ 43.1 \, \text{arcsec/century} $，与广义相对论及观测结果完全一致。
• 太阳对光线的偏折角预测为 $ \alpha_b = 4GM/(Rc^2) = 1.75 \, \text{arcsec} $，与 1919 年爱丁顿实验及广义相对论结果一致。
• 雷达信号掠过太阳附近的 Shapiro 时间延迟计算值为 $ 247 \, \mu\text{s} $，与实测值 $ 250 \, \mu\text{s} $ 非常接近。
• 引力红移由本征频率偏移 $ \nu = \nu^0 (1 - GM/r^0 c^2) $ 推导得出，与 Pound–Rebka 实验结果一致。
• 该理论预测了膨胀的引力光学距离与时间，从而修改牛顿与相对论动力学，同时保持与广义相对论全部四次经典检验的一致性。