[论文解读] Cosmic Relativity: The Fundamental Theory of Relativity, its Implications, and Experimental Tests

C. S. Unnikrishnan|ArXiv.org|Jun 7, 2004

Quantum Mechanics and Applications参考文献 3被引用 9

一句话总结

本文提出宇宙相对论作为相对论的基本理论，通过将所有相对论效应（如时间膨胀和托马斯进动）归因于近似均匀、各向同性且临界密度宇宙的引力影响，取代了狭义相对论。该理论在保持洛伦兹不变性的同时，引入了由宇宙微波背景辐射（CMBR）定义的优先宇宙静止参考系，并将实验结果（包括依赖绝对速度的时间膨胀）解释为引力效应，从而以一种动力学且可观测的方式实现马赫原理。

ABSTRACT

In this paper I argue for a reassessment of special relativity. The fundamental theory of relativity applicable in this Universe has to be consistent with the existence of the massive Universe, and with the effects of its gravitational interaction on local physics. A reanalysis of the situation suggests that all relativistic effects that are presently attributed to kinematics of relative motion in flat space-time are in fact gravitational effects of the nearly homogeneous and isotropic Universe. The correct theory of relativity is the one with a preferred cosmic rest frame. Yet, the theory preserves Lorentz invariance. I outline the new theory of Cosmic Relativity, and its implications to local physics, especially to physics of clocks and to quantum physics. This theory is generally applicable to inertial and noninertial motion. Most significanlty, experimental evidence support and favour Cosmic Relativity. There are observed effects that can be consistently explained only within Cosmic Relativity. The most amazing of these is the dependence of the time dilation of clocks on their `absolute' velocity relative to the cosmic rest frame. Important effects on quantum systems include the physical cause of the Thomas precession responsible for part of the spectral fine structure, and the phase changes responsible for the spin-statistics connection. At a deeper level it is conlcuded that relativity in flat space-time with matter reiterates Mach's principle. There will not be any relativistic effect in an empty Universe.

研究动机与目标

• 通过论证相对论效应并非运动学效应，而是由宇宙质量分布引起的引力效应，重新审视狭义相对论。
• 基于宇宙微波背景辐射（CMBR）静止参考系建立优先宇宙静止参考系，使绝对时间和速度在物理上具有意义。
• 证明在平坦时空中的所有相对论效应——时间膨胀、同时性的相对性以及量子相位效应——均可从局部系统与全局质量-能量分布的引力相互作用中推导得出。
• 证明宇宙相对论在0.1%精度范围内与实验数据一致，在存在质量宇宙的背景下优于狭义相对论。
• 通过展示时空结构与量子行为源于与宇宙的引力耦合，将马赫原理与相对论及量子物理统一起来。

提出的方法

• 使用后牛顿近似分析相对论效应，表明来自大尺度质量分布的引力时间膨胀与狭义相对论的预测相符。
• 采用罗伯逊-沃尔克度规描述临界密度、空间平坦的宇宙，以建模影响局部时钟与系统的背景引力势。
• 将宇宙微波背景辐射（CMBR）静止参考系识别为物理上的优先参考系，其中无偶极各向异性的条件定义了绝对静止，而温度单调递增则定义了绝对时间。
• 不从运动学出发，而是从局部系统与全局质量分布的引力相互作用中推导出时间膨胀和托马斯进动等相对论效应。
• 将该理论应用于量子系统，表明费米子的自旋统计关联与相位变化源于与宇宙的引力耦合，而非内在的量子规则。
• 将宇宙相对论的预测与狭义相对论及广义相对论的预测进行比较，表明其与两者一致，同时解决了后者的模糊性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以将平坦时空中的所有相对论效应（包括时间膨胀与同时性的相对性）解释为质量宇宙的引力效应，而非运动学效应？
• RQ2 是否存在一个物理基础来支持优先宇宙静止参考系？它是否能自然地从宇宙的大尺度结构与质量-能量分布中涌现？
• RQ3 观测到的时钟时间膨胀对相对于CMBR静止参考系的绝对速度的依赖性，是否可由全局质量分布引起的引力延迟来解释？
• RQ4 宇宙相对论如何在不依赖假设对称性的前提下，解释托马斯进动与自旋统计关联等量子现象？
• RQ5 宇宙相对论是否提供了马赫原理更自然的实现方式，包括宇宙在定义惯性和时空结构中发挥动力学作用？

主要发现

• 宇宙大尺度质量分布引起的引力时间膨胀在量级上与狭义相对论预测的运动学时间膨胀相当，且0.1%精度的实验数据更支持引力解释。
• 有明确的实验证据表明，时钟的时间膨胀依赖于其相对于CMBR静止参考系的绝对速度，这与狭义相对论的相对性原理相矛盾。
• 导致原子光谱精细结构部分贡献的托马斯进动，其物理原因在于电子与宇宙其余部分的引力相互作用，而非平坦时空中的运动学旋转。
• 量子场论中自旋统计关联所依赖的相位变化，源于费米子与全局质量分布的引力耦合，而非抽象的对称性假设。
• 长度收缩与同时性的相对性等相对论效应并非运动学效应，而是近似临界密度、各向同性宇宙的引力效应，这意味着在空宇宙中不存在任何相对论效应。
• 宇宙相对论与广义相对论一致，且可从爱因斯坦方程使用罗伯逊-沃尔克度规推导得出，但其通过从一开始就纳入全局时空结构，为相对论提供了更自然的基础。