SpaceXが打ち上げを計画している新しいミッションは、本当に一般相対性理論を覆すことができるのでしょうか？

はじめに: 暗黒物質の真の性質を明らかにすることは、現代の宇宙論、さらには物理学における最も重要な課題の 1 つです。残念ながら、何十年にもわたる集中的な調査にもかかわらず、暗黒物質の決定的な証拠は見つかっていない。したがって、暗黒物質の代替理論には発展の余地がある。一部の理論は、慣性を物体の固有の特性とは見なさない量子慣性仮説など、既存の物理学の基礎を覆す結論にさえつながります。当初6月12日に予定されていたSpaceXのトランスポーター8号ミッションは、量子慣性仮説、つまりIVO量子エンジンの実際の効果をテストすることだった。しかし、トランスポーター8号の打ち上げの数時間前に、量子エンジン開発チームは突然、打ち上げミッションから撤退すると発表した。

著者 |ジアウェイ

6月12日（UTC）、イーロン・マスク氏が設立した宇宙輸送会社SpaceXは、ファルコン9ロケットでトランスポーター8号ミッションの打ち上げに成功した。当初の打ち上げ計画によれば、このミッションではハイテク機器の実現可能性もテストする予定だ。この装置の原理は量子慣性仮説に基づいています。この装置は、純粋な電気推進システムである IVO Quantum Drive と呼ばれます。外観は以下のとおりです。

IVO 量子ドライブエンジン |出典: IVO Ltd.

しかし、ほとんどの物理学者は当初から、この実験は疑似科学的な誇大宣伝であり、お金の無駄であり、IVO量子駆動エンジンは絶対に成功しないだろうと信じていたようです。

学界はなぜ、まだ理論上の段階にとどまっているこの技術に対して、これほど否定的な見方をしているのでしょうか?量子慣性とはどういう意味ですか?それは暗黒物質の発見から始まります...

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1930 年代、スイスの天体物理学者フリッツ・ツビッキーは、かみのけ座の銀河団があまりにも速く回転していることに気づきました。銀河の質量によってもたらされる重力の大きさを考慮すると、その求心力は銀河の高速回転を支えることができず、そのため銀河は崩壊したはずである。

しかし、明らかにそうではありませんでした。

可視物質では説明できない回転曲線を持つ M101 銀河 |画像出典: NASA/CXC/SAO/D.ハートマン/JPL-Caltech

私たちの前には基本的に 2 つの道があります。ニュートンの第 2 法則、あるいは万有引力の法則が間違っているか、あるいは質量を埋めるために銀河に何か他のものを追加するかのどちらかです。
問題は、ニュートンの第二法則が数え切れないほど検証されており、多数の物理現象を説明できるということです。ニュートンの法則に代わる理論は、まずニュートンの法則で説明できる現象に対応できなければなりません。したがって、心理的にも実際的にも、ほとんどの人は「何か他のもの」に賭けることを好むのです。
そのため、ツビッキーは、銀河団には目に見えない大量の質量、つまり彼が暗黒物質と呼ぶものが含まれていると結論付けました。
1980年、アメリカの天文学者ヴェラ・ルビンは、ズビッキーの観察を確認し、さらに拡張しました。ほとんどの銀河の回転速度は不合理であり、角速度は銀河の質量が支えられる大きさをはるかに超えています。
その後の物理学者たちもフリッツ・ツビッキーと同じ道をたどり、最終的に彼らのほとんどは暗黒物質に賭けることを選びました。
それ以来数十年にわたり、科学者たちは暗黒物質仮説を繰り返し検討し、改良してきました。同時に、Bullet Galaxy の観測により暗黒物質の存在がほぼ確認されました。しかし、最も重要なつながりである暗黒物質そのものは、科学者によって未だ発見されていない。

現在、科学者によって提案されている暗黒物質の候補は主に 2 つあります。比較的重い弱い相互作用をする巨大粒子 (WIMP) と、仮説上の極めて軽い粒子であるアクシオンです。

香港大学の天文学者たちは今年、ネイチャー・アストロノミー誌で、「重力レンズ」と「アインシュタイン・リング」の助けを借りて暗黒物質の「正体」を確認できると提唱した。 |画像提供: ESA/ハッブル & NASA

いわゆる暗黒物質を検出したり、あるいは生成したりしようとする実験は数多く行われてきたが、これまでのところ成功したものはない。

同時に、上記のような暗黒物質モデルは多くの科学者に一般的に受け入れられていますが、まだ説明されていない側面がいくつかあります。その 1 つは銀河ハローカスプと呼ばれる問題で、銀河内の暗黒物質の密度がいわゆる N 体シミュレーションの結果と一致しないことを示唆しています。そのため、2 番目の道を選び、ニュートンの法則を改訂しようとした少数の物理学者が常に存在していました。

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暗黒物質の代替は、修正ニュートン力学 (MOND) またはミルグロム力学フレームワークと呼ばれます。この理論は、物理学者モルデハイ・ミルグロムによって 1983 年に初めて発表されたもので、ニュートンの第二法則を修正し、銀河や恒星の重力を再計算すれば、宇宙の質量ギャップを埋めるために暗黒物質は必要なくなることを示唆しています (MOND 理論の詳細な紹介については、「Fanpu」の以前の記事「競合する科学理論のペア: 暗黒物質と修正重力理論」を参照してください)。
MOND理論は、謎の暗黒物質を導入せずに銀河の回転データを説明する方法として提案されました。 MOND 支持者は、加速度が 10^(-10) m/s^2 の閾値を下回ると重力が変化するという別の説明を提示しています。この考えはいかなる基礎理論からも生まれたものではありません。驚くべきことに、大きさや年齢を問わず、ほぼすべての銀河に同じ加速閾値が当てはまります。
低加速度では、MOND モデルにおける重力の影響は、万有引力の古典的な法則によって説明されるものよりも強くなります。副作用として、物体の運動は物体自体の質量だけでなく、近くにあるすべての質量にも依存します。この現象は外部場効果 (EFE) と呼ばれます。

2021年、MONDを支持する学者たちはついに相対性理論と互換性のあるMONDモデルを構築しました。しかし、全体的にはまだパッチワークのような感じがします。

極めて不自然なのは、ニュートンの法則が成り立たない 10^(-10)m/s^2 の閾値が、観測データと一致するように「人為的に設定」されなければならないのに、これについて納得のいく理由が示されていないことです。

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このような状況で、第3の方法を見つけようとした人々がいました。プリマス大学の物理学者マイク・マカロックは、2007年に量子慣性（QI）理論を提唱しました。これは、相対性理論と量子力学を使用して、物体が加速されたときにその物体にかかる反作用力を説明しようとする慣性理論です。
QI によれば、情報の伝播は光速によって制限されるため、加速する物体は加速方向と反対の方向にリンドラー地平線を見ることになります。リンドラー地平線は、仮想粒子をウンルー放射と呼ばれる実際の放射に変換します。
QI は、事象の地平線が物体の片側でのウンルー放射を弱め、その結果量子真空に勾配が生じ、物体の加速度と反対方向に圧力が加わり、これが慣性の起源であると考えています。言い換えれば、QI 理論によれば、慣性はもはや物体の固有の特性ではなく、環境によって及ぼされる特定の推力の結果です。
相対性理論では、リンドラー地平線の時空背景は依然としてミンコフスキー時空です。異なる座標系を選択したために地平線に変化するだけです (座標系を変更することで解消できます)。この種の地平線は座標地平線とも呼ばれます。それは単なる数学的な変換の一種です。しかし、QI では、それはある種の物理的現実であると考えられています。
ウンルー放射に関しては、加速観測者は慣性観測者が見ることができない黒体放射を観測できることを意味します。つまり、加速観測者は暖かい宇宙背景の中にいることに気付くことになります。ウンルー放射は、現在理論的に存在が認められている概念であり、1976年に数学的に導き出されました。しかし、実際の効果は弱すぎるため、実験室でテストすることはできません。 （しかし昨年、物理学者たちは、お金を費やす気があれば、地球上でウンルー効果を実験的に検証できる実験設計を提案した。）
QI理論を提唱したマカロックは、ある程度受け入れられているウンルー放射を理論的な出発点としました。彼は、未知の粒子（暗黒物質など）を導入する必要はなく、観測に協力するために説明できない臨界閾値を人為的に指定する必要もありませんでした。すべては順調ですが、1 つだけ例外があります。QI は、相対性理論の基礎と中核となる考え方である等価原理と互換性がありません。
つまり、QI が成立する前提は、一般相対性理論の基礎 (等価原理) が間違っている、つまり慣性質量と重力質量は同じものではない、ということです。マカロック氏は、物体の慣性質量と重力質量を切り離すことで、目に見える既存の物質のみを使って銀河の急速な回転を説明できると主張している。
QI はまた、銀河の端にある星のような極端に低い加速度では、リンドラー地平線が宇宙の地平線に近づくほど遠くまで移動し、その結果、ウンルー放射が周囲全体で均一に弱まり、慣性メカニズムが崩壊すると予測しています。これは、銀河の端にある星が予想よりも速く回転しながらも銀河に束縛されたままでいられる理由を説明しています。したがって、QI理論は、暗黒物質やニュートン力学の調整を必要とせずに、銀河の回転速度に完全に適合することができます。

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QI理論を信じる人は多くありませんが、理論の信憑性をすぐに検証できる機会があるという、暗黒物質理論やMOND理論にはない利点があります。 QI は真空から推力とエネルギーを得られると予測しているため、この記事の冒頭で述べた IVO Quantum Drive が誕生しました。これは、McCulloch が QI 原理に基づいて設計した魔法のエンジンです。

2018年、軍事利用のための新興技術の開発を担当する米国国防総省の研究機関である国防高等研究計画局（DARPA）は、量子慣性の研究を行うためにQIの研究者に130万ドルの契約を授与した。この動きはすぐに論争を巻き起こした。なぜなら、相当数の物理学者が QI は疑似科学であると信じており、DARPA の QI への投資は疑似科学の偽装的な支持となったからだ。
これらの物理学者の疑惑は正当なものである。計算後、IVO 量子駆動エンジンは基本的に第 1 タイプの永久機関と同等です...ただし、QI 理論の支持者は、IVO 量子駆動エンジンはそれ自体ではエネルギーを生成しないと主張しています。まるで流れに乗って航海するかのように、環境のエネルギーを借りるのです。それは本質的にはニュートンの法則や熱力学の法則に違反するものではありません。

DARPA がなぜこのような信頼性の低い技術に投資するのかについては、実はこれは DARPA の公式な性質に関係しています。 2021年現在、彼らの使命は「国家安全保障のための重要な技術投資を行うこと」です。したがって、DARPA は、いくつかの関連技術に適切に投資することを気にしません。たとえそれが疑似科学であることが後で証明されたとしても、それはわずか 100 万ドルにすぎません。もし成功すれば、科学分野における前例のない大きな進歩となるだろう。リスクを冒す価値はありそうだ。

もちろん、DARPA はただ黙って資金を投資するわけではありません。契約では、マカロック氏とその同僚らに、この流体不要エンジンの実現可能性を証明することが求められている。いわゆる「流体レスエンジン」とは、何も噴射せずに逆推力を発生させて前進できるエンジンを指します。つまり、運動量保存の法則に従わないもの。 IVO 量子駆動エンジンは真空から直接推力を得ることができるため、流体を使用しないエンジンでもあります。以前の世代の流体不要エンジンである伝説的な EMDrive は、実証されました。
しかし今、ノースダコタ州に拠点を置くIVO社は、初のIVO量子駆動エンジンを開発したと発表した。これらは当初、スペースX社のトランスポーター8号ミッションで2023年6月12日にテストのため低軌道に打ち上げられる予定だった。現在は、トランスポーター9号に乗って10月に宇宙環境に突入することに暫定変更されている。これは、IVO が DARPA との契約を履行し、より大きな投資を獲得するために実施しなければならない軌道実験です。

冒頭で述べたように、科学界では一般的に、これは（流体不要エンジンの第一世代と同様に）デマであると考えています。しかし公平を期すために、反対側の声明を下記に掲載させてください。

IVOの公式声明によると、「IVO量子駆動エンジンは、静電容量式空中伝送（CBAT）技術に基づく無線エネルギー伝送技術です。CBATは衛星バッテリーのサイズを50％削減でき、燃料を必要としません。このシステムは、1ワットの電力あたり52ミリニュートン（mN）の推力を生成でき、既存のイオンエンジンよりもはるかに軽量です。このシステムは太陽エネルギーを電源として使用し、無制限の操縦性を備えています。」

上記の記述は完全に IVO 自身の主張に基づくものであることにご注意ください。 「52ミリニュートン（mN）の推力を発生する」などとあるが、部外者は実験報告を見たことが無く、その仕組みは理解できない。

IVO Ltd. の現共同創設者である Telehey 氏の、将来に対する熱意あるビジョンをもう一度引用します。「IVO Quantum Drive は、現代の宇宙推進技術の現在の限界を完全に打ち破ります。これは初の完全電気推進装置であり、動作には電気のみが必要です。宇宙船を推進するために特別な燃料ソリューションを必要とする複雑な燃料システムの時代は終わりました。電気がある限り推力があり、これが初めて無制限の Delta-V が可能になった理由です。自己完結型であるため、これは宇宙船内に完全に組み込むことができる初の推進装置です。」

「商業パートナー（IVO Ltd.とSpaceXを橋渡ししてこの実験を可能にしたRogue Space Systems）とのコラボレーションは、イノベーションへの共通の情熱と、人間の能力を拡大するという究極の目標から生まれました。何千年もの間、人類は驚きと憧れを持って星を見上げてきました。そして今、人類史上初めて、私たちはこれらの遠く離れた場所に手を伸ばして触れることができるようになりました。私たちの組織はこれをもっと真剣に受け止める必要があり、IVOとRogueは一緒に歴史を作っていきます。」

そうですね、もし IVO Quantum Drive が QI 理論の宇宙への応用を成功裏に、そして説得力を持って実証することができれば、共同創設者が言うように、彼らは歴史を作ることになるでしょう。それ以来、アークや世代宇宙船といった概念は、SF小説や映画の中に留まらなくなる。

もしそうなら、マカロックは新時代のアインシュタインとなるだろう。現代物理学、理論物理学と天体物理学の両方が完全に覆されるでしょう。相対性理論がニュートン力学に取って代わったように、気力理論は相対性理論に取って代わり、暗黒物質の概念を歴史のゴミ箱に捨てることになるだろう。宇宙の総質量、年齢、可視宇宙の半径など、現在および将来の観測データはすべて、QI 理論を導入して再解釈する必要があります。

しかし、重要なのは、それが「成功し、説得力のある」実験的証拠を提供できるかどうかだ。 IVO 量子駆動エンジンが推力を生成できることを示すには、単一の実験だけでは不十分です。第一世代の流体不要エンジンはかつて推力を発揮しましたが、慎重な実験設計を行った結果、そのわずかな推力は実際には環境からの干渉によって生じたものであることがわかりました。 （「説得力」をどのように持つかについては、決定的な実験という概念を持ち出す必要があります。残念ながら、スペースが限られているため、ここで詳しく説明することはできません。）一方、実験で量子エンジンが推力を生成できることが示されない場合は、打ち上げプロセス中にデバイスが故障する（または、現在のように、軌道実験が打ち上げ前に突然延期される）などの妨害要因があるかどうかも考慮する必要があります。 QI 理論の支持者は、IVO は単にその名前を利用した詐欺会社であると主張し、IVO Ltd. との関係を断つことさえできる。

さて、検査時期は10月に延期されましたが、しばらく様子を見ましょう。

更新メモ: この記事はもともと、トランスポーター 8 ミッションの打ち上げの 20 時間前に公開されました。しかし、打ち上げの数時間前（UTC時間6月12日）、IVO社は公式Twitterを通じて突然、IVO量子エンジンのテストミッションがSpaceXトランスポーター9に再スケジュールされ、今年10月に打ち上げられると発表した。そのため、この記事の打ち上げ計画は、この最新のニュースに基づいて修正されました。

謝辞: この記事をレビューしてくださった復旦大学の Yusen An 博士に感謝します。

参考文献

1 DARPA は量子慣性理論を研究しているが、これは疑似科学だと多くの人が考えている理論である (vice.com)

2 慣性の代替理論が宇宙でテストされる - Universe Today

3 物理学 - 暗黒物質の代替案が大きなテストに合格 (aps.org)

4 「修正された重力」の証拠が暗黒物質の代替説を強める (newatlas.com)

5人の物理学者がワープ速度加速の奇妙な輝きを引き起こす方法を発見 : ScienceAlert

6 量子化された慣性によって暗黒物質が除去される仕組み |マイク・マカロック | TEDxプリマス大学（量子慣性理論の発明者であるマイク・マカロックは、2018 年 3 月に TED でその理論を紹介しました。）

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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