[论文解读] Lunar Laser-Ranging Detection of Light-Speed Anisotropy and Gravitational Waves

Reginald T. Cahill|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2010

Planetary Science and Exploration参考文献 11被引用 6

一句话总结

本文提出，利用阿波罗月球激光测距（APOLLO）数据可探测光速各向异性和动力学三维空间中的引力波样湍流，方法为分析光子往返时间的变化。研究报告了一致的486–490 km/s各向异性速度矢量，并证实涨落效应为大振幅引力波样湍流的证据，挑战了对零结果真空模式迈克耳孫干涉仪结果的标准解释。

ABSTRACT

The Apache Point Lunar Laser-ranging Operation (APOLLO), in NM, can detect photon bounces from retro-reflectors on the moon surface to 0.1ns timing resolution. This facility enables not only the detection of light speed anisotropy, which defines a local preferred frame of reference - only in that frame is the speed of light isotropic, but also fluctuations/turbulence (gravitational waves) in the flow of the dynamical 3-space relative to local systems/observers. So the APOLLO facility can act as an effective "gravitational wave" detector. A recently published small data set from November 5, 2007, is analysed to characterise both the average anisotropy velocity and the wave/turbulence effects. The results are consistent with some 13 previous detections, with the last and most accurate being from the spacecraft earth-flyby Doppler-shift NASA data.

研究动机与目标

• 研究APOLLO高精度月球激光测距数据是否能探测光速各向异性和相关的引力波样涨落。
• 解决真空模式迈克耳孫干涉仪长期存在的零结果与气模式及其他实验中反复出现的非零各向异性探测结果之间的矛盾。
• 证明APOLLO设施可通过测量光子往返时间的定时涨落，作为有效的引力波探测器发挥作用。
• 验证由动力学三维空间定义的优选参考系的存在，该参考系与宇宙微波背景辐射偶极子参考系不同。
• 将历史上的各向异性探测结果（如迈克耳孫-莫雷实验、米勒实验、多普勒频移飞越实验）与空间作为动力学、结构化介质的新理论相协调。

提出的方法

• 利用2007年11月5日APOLLO的光子往返时间数据，时间分辨率达0.1 ns，以探测光速各向同性偏离。
• 在三维空间参考系中建模地月光子轨迹，该参考系中光速各向同性，应用余弦定理计算各向异性条件下的传播时间。
• 考虑APOLLO时钟相对于三维空间以速度v运动时的相对论时间膨胀效应，使测得的传播时间减少√(1−v²/c²)。
• 使用推导出的公式t_AC = 2L/c + Lv_P²/c³ + ...，其中v_P为投影速度，预测传播时间对方向和各向异性速度的依赖关系。
• 将观测到的往返时间涨落与理论预测进行比较，推断各向异性矢量的大小和方向。
• 将相同模型应用于解释为何真空模式迈克耳孫干涉仪对各向异性不敏感，原因在于洛伦兹收缩导致的微妙设计缺陷。

实验结果

研究问题

• RQ1 月球激光测距数据能否探测光速各向异性，从而暗示三维空间中存在优选参考系？
• RQ2 观测到的光子传播时间涨落是否对应于动力学三维空间中的引力波样湍流？
• RQ3 为何真空模式迈克耳孫干涉仪始终得出零结果，尽管其他实验设置中反复探测到各向异性？
• RQ4 此前从多普勒频移飞越数据推断出的486 km/s各向异性速度矢量，是否被APOLLO激光测距数据所证实？
• RQ5 APOLLO设施能否作为高时间分辨率探测器，用于探测三维空间中的引力波样涨落？

主要发现

• APOLLO数据显示，往返光子传播时间在500秒内线性减少204米，与地球自转一致，表明光速各向异性约为486 km/s。
• 在去除线性趋势后，剩余的往返时间涨落与各向异性矢量的3°方向变化一致，支持490 km/s的各向异性速度。
• 数据证实，真空模式干涉仪本质上对光速各向异性不敏感，原因在于洛伦兹收缩引起的抵消效应，这一设计缺陷此前未被认识。
• APOLLO设施可探测三维空间中时间分辨率高达数秒的引力波样湍流，提供了一种新的探测方法。
• 结果与此前13次各向异性探测结果一致，包括米勒1925/26年的观测以及航天器飞越时的多普勒频移异常，强化了存在一个与CMB偶极子不同的优选参考系的证据。
• 分析支持一种理论：空间是动力学的、结构化的三维空间，引力源于物质与辐射在非均匀速度场中的折射。