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アト

2025/12/22

2. 理論的枠組み：第一原理からの導出
2.1 基礎となる計量と弱場展開
回転していない球対称な質量 M の外部の時空幾何学を記述するシュヴァルツシルト解から始める：
ds² = −(1 − 2GM/(rc²))c² dt² + (1 + 2GM/(rc²))(dr² + r² dΩ²) (2.1)
ここで、G は万有引力定数、c は光速、r は動径座標、dΩ² = dθ² + sin²θ dφ² は立体角要素である。
GM/(rc²) ≪ 1 を満たす弱い重力場に対して、ニュートン重力ポテンシャルを以下のように定義する：
Φ(r) = −GM/r (2.2)
このとき、計量は以下のように書き換えられる：
g₀₀ = −(1 + 2Φ/c²) (2.3a)
g_{ij} = δ_{ij}(1 − 2Φ/c²) (2.3b)
ここで、高次項 O((Φ/c²)²) は無視している。
注記: この展開は標準的なポスト・ニュートン近似の最低次に対応し、地球重力場（|Φ|/c² ≈ 7×10⁻¹⁰）やGPS軌道（≈ 5×10⁻¹⁰）では十分な精度を持つ。
2.2 移動観測者における固有時間
弱い重力場中を座標速度 v で移動する観測者を考える。固有時間間隔 dτ は以下の関係にある：
dτ² = −ds²/c² (2.4)
式(2.1)と(2.3)を用いて、座標時間 dt に対する固有時間の関係を求める：
dτ² = (1 + 2Φ/c²)dt² − (1 − 2Φ/c²)(v² dt²)/c² (2.5)
ここで、v² = (dr/dt)² + r²(dθ/dt)² + r²sin²θ(dφ/dt)² である。
Φ/c² ≪ 1 および v²/c² ≪ 1 を用いて、二項展開により：
dτ/dt = [1 + 2Φ/c² − (1 − 2Φ/c²)v²/c²]^(1/2)
≈ [1 + 2Φ/c² − v²/c² + 2Φv²/c⁴]^(1/2) (2.6)
さらに (1 + x)^(1/2) ≈ 1 + x/2 の近似を適用すると：
dτ/dt ≈ 1 + Φ/c² − v²/(2c²) + Φv²/c⁴ + O(c⁻⁶) (2.7)
式(2.7)の物理的解釈:
1. 重力赤方偏移項 Φ/c²: 重力場による時間の遅れ（Einstein 1916）
2. 特殊相対論的時間遅延 −v²/(2c²): 運動による時間の遅れ（Einstein 1905）
3. 重力・運動結合項 Φv²/c⁴: 一般相対論特有の効果で、特殊相対論とニュートン重力の単純な重ね合わせでは現れない
この第3項の存在が、本定式化の核心である。
2.3 係数「3/2」の物理的・数学的起源
有効ポテンシャル Φ_eff を用いて固有時間の関係を以下のように表現する：
dτ/dt ≈ 1 + Φ_eff/c² (2.8)
式(2.7)と比較すると、一次近似では：
Φ_eff = Φ − v²/2 + Φv²/c² (2.9)
軌道運動の場合の特別な関係:
円軌道や楕円軌道では、ビリアル定理から以下の関係が成り立つ：
v² = −Φ (2.10)
これを式(2.9)に代入すると：
Φ_eff = Φ − (−Φ)/2 + Φ(−Φ)/c²
= Φ + Φ/2 + O(c⁻²)
= (3/2)Φ + O(c⁻²) (2.11)
または、v²を明示的に書けば：
Φ_eff = Φ + (3/2)v² (c⁰次まで) (2.12)
係数3/2の分解:
* 1/2: 特殊相対論的運動エネルギーによる時間遅延
* 1: 一般相対論的な重力・運動結合効果
この3/2という係数は、Schwarzschild (1916)、Droste (1917)以来の弱場展開で知られており、本研究はこれを有効ポテンシャルの形で再定式化したものである。
既存理論との整合性:
* Will (1993)のPPNパラメータでは (1+γ)v²/(2c²) の形で現れ、一般相対論では γ=1
* Ashby (2003)のGPS解析でも同じ係数が使用されている
* したがって、本研究の係数は既存理論と完全に一致する
2.4 回転効果の組み込み
角速度 Ω で剛体回転する座標系における点の速度は、回転軸からの距離を ρ = r sinθ として：
v_rot = Ω ρ = Ω r sinθ (2.13)
これが式(2.7)の速度項に寄与する。回転による遠心ポテンシャルは：
Φ_centrifugal = −(1/2)Ω²ρ² = −(1/2)Ω²r²sin²θ (2.14)
これを全体のポテンシャルに組み込むと：
Φ_total = Φ(r) + Φ_centrifugal
= −GM/r − (1/2)Ω²r²sin²θ (2.15)
相対論的補正も含めると、特殊相対論的時間遅延項にも回転速度が寄与する：
−v²/(2c²) → −(Ωr sinθ)²/(2c²) (2.16)
2.5 提案する統一重力ポテンシャル
以上の考察を統合すると、以下の有効ポテンシャルが得られる：
Φ_uni(r, θ, v, Ω) = −(GM/r)[1 + 3v²/(2c²)] − (r²Ω²sin²θ)/(2c²) (2.17)
または、軌道運動を考慮しない一般的な形式では：
Φ_uni(r, θ, Ω) = −(GM/r) − (1/2)Ω²r²sin²θ + O(c⁻²) (2.18)
式(2.17)の各項の物理的意味:
項係数物理的起源相対精度
−GM/r 1 ニュートン重力基準
3v²/(2c²) 3/2 SR時間遅延 + GR結合 ~10⁻⁹ (地球)
r²Ω²/(2c²) 1/2 回転遠心力 ~10⁻⁶ (地球赤道)
重要な注記: この定式化は、既存のポスト・ニュートン展開と矛盾しない。むしろ、異なる物理効果を統一的な枠組みで表現する代替的視点を提供するものである。